Trong quá trình phát triển của khoa học, hóa học phải đối mặt với vấn đề tính toán lượng chất để thực hiện các phản ứng và các chất thu được trong quá trình phản ứng.
Ngày nay để tính toán như vậy phản ứng hóa học giữa các chất và hỗn hợp, giá trị khối lượng nguyên tử tương đối có trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học của D.I.
Khoa học hiện đại, theo định nghĩa “khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố hóa học”, có nghĩa là khối lượng nguyên tử của một nguyên tố hóa học nhất định lớn hơn 1/12 nguyên tử cacbon bao nhiêu lần.
Với sự ra đời của kỷ nguyên hóa học, nhu cầu xác định chính xác quá trình phản ứng hóa học và kết quả của nó ngày càng tăng.
Do đó, các nhà hóa học không ngừng cố gắng giải quyết vấn đề khối lượng chính xác của các nguyên tố tương tác trong một chất. Một trong những giải pháp tốt nhất lúc bấy giờ là liên kết với nguyên tố nhẹ nhất. Và trọng lượng nguyên tử của nó được coi là một.
Hydro ban đầu được sử dụng, sau đó là oxy. Nhưng phương pháp tính toán này hóa ra lại không chính xác. Lý do cho điều này là sự hiện diện của các đồng vị có khối lượng 17 và 18 trong oxy.
Do đó, việc sử dụng hỗn hợp các đồng vị về mặt kỹ thuật sẽ tạo ra một số khác ngoài 16. Ngày nay, khối lượng nguyên tử tương đối của một nguyên tố được tính dựa trên trọng lượng của nguyên tử carbon lấy làm cơ sở, theo tỷ lệ 1/12.
Chỉ một thời gian sau, vào thế kỷ 19, Dalton đề xuất thực hiện các phép tính sử dụng nguyên tố hóa học nhẹ nhất - hydro. Tại các bài giảng cho học sinh của mình, ông đã chứng minh trên các hình chạm khắc từ gỗ cách các nguyên tử được kết nối với nhau. Đối với các yếu tố khác, ông đã sử dụng dữ liệu mà các nhà khoa học khác thu được trước đó.
Theo thí nghiệm của Lavoisier, nước chứa 15% hydro và 85% oxy. Với dữ liệu này, Dalton tính được rằng khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tố tạo nên nước, trong trường hợp này là oxy, là 5,67. Sai lầm trong tính toán của ông bắt nguồn từ việc ông tin tưởng sai về số lượng nguyên tử hydro trong phân tử nước.
Theo ý kiến của ông, có một nguyên tử hydro cho mỗi nguyên tử oxy. Sử dụng dữ liệu của nhà hóa học Austin rằng amoniac chứa 20% hydro và 80% nitơ, ông đã tính được khối lượng nguyên tử tương đối của nitơ. Với kết quả này, ông đã đi đến một kết luận thú vị. Hóa ra khối lượng nguyên tử tương đối (công thức của amoniac bị nhầm lẫn với một phân tử hydro và nitơ) là bốn. Trong tính toán của mình, nhà khoa học đã dựa vào hệ thống tuần hoàn của Mendeleev. Theo phân tích, ông tính toán rằng khối lượng nguyên tử tương đối của cacbon là 4,4, thay vì 12 như được chấp nhận trước đây.
Bất chấp những sai lầm nghiêm trọng của mình, Dalton vẫn là người đầu tiên tạo ra bảng gồm một số phần tử. Nó trải qua những thay đổi lặp đi lặp lại trong suốt cuộc đời của nhà khoa học.
Khi xem xét khối lượng nguyên tử của các nguyên tố, bạn sẽ nhận thấy rằng độ chính xác của từng nguyên tố là khác nhau. Ví dụ, đối với lithium, nó có bốn chữ số và đối với flo, nó có tám chữ số.
Vấn đề là thành phần đồng vị của mỗi nguyên tố là khác nhau và không cố định. Ví dụ, nước thông thường chứa ba loại đồng vị hydro. Chúng bao gồm, ngoài hydro thông thường, deuterium và tritium.
Khối lượng nguyên tử tương đối của các đồng vị hydro lần lượt là hai và ba. Nước “nặng” (được hình thành bởi deuterium và tritium) khó bay hơi hơn. Do đó, nước ở trạng thái hơi có ít đồng vị hơn ở trạng thái lỏng.
Các sinh vật sống có đặc tính chọn lọc đối với carbon. Để tạo ra các phân tử hữu cơ, carbon có khối lượng nguyên tử tương đối bằng 12 được sử dụng. Vì vậy, các chất có nguồn gốc hữu cơ cũng như một số khoáng chất như than đá, dầu mỏ chứa hàm lượng đồng vị ít hơn các chất vô cơ.
Các vi sinh vật xử lý và tích lũy lưu huỳnh để lại đồng vị lưu huỳnh 32. Ở những nơi vi khuẩn không xử lý, tỷ lệ đồng vị lưu huỳnh là 34, tức là cao hơn nhiều. Dựa trên tỷ lệ lưu huỳnh trong đá đất, các nhà địa chất đưa ra kết luận về bản chất nguồn gốc của lớp - liệu nó có tính chất magma hay trầm tích.
Trong tất cả các nguyên tố hóa học, chỉ có một nguyên tố không có đồng vị - flo. Do đó, khối lượng nguyên tử tương đối của nó chính xác hơn các nguyên tố khác.
Đối với một số phần tử, khối lượng tương đối được biểu thị trong ngoặc vuông. Như bạn có thể thấy, đây là những nguyên tố nằm sau uranium. Thực tế là chúng không có đồng vị ổn định và phân rã để giải phóng bức xạ phóng xạ. Do đó, đồng vị ổn định nhất được chỉ định trong ngoặc đơn.
Theo thời gian, rõ ràng là có thể thu được đồng vị ổn định từ một số trong số chúng trong điều kiện nhân tạo. Cần phải thay đổi khối lượng nguyên tử của một số nguyên tố transuranium trong bảng tuần hoàn.
Trong quá trình tổng hợp các đồng vị mới và đo tuổi thọ của chúng, đôi khi người ta có thể phát hiện ra các hạt nhân có chu kỳ bán rã dài hơn hàng triệu lần.
Khoa học không đứng yên; các yếu tố, quy luật và mối quan hệ mới giữa các quá trình khác nhau trong hóa học và tự nhiên không ngừng được khám phá. Vì vậy, dạng hóa học nào và hệ thống tuần hoàn các nguyên tố hóa học của Mendeleev sẽ xuất hiện trong tương lai, một trăm năm sau, là điều mơ hồ và không chắc chắn. Nhưng tôi muốn tin rằng công trình của các nhà hóa học được tích lũy qua nhiều thế kỷ qua sẽ phục vụ những kiến thức mới, tiên tiến hơn cho con cháu chúng ta.
Khối lượng nguyên tử là tổng khối lượng của tất cả các proton, neutron và electron tạo nên một nguyên tử hoặc phân tử. So với proton và neutron, khối lượng của electron rất nhỏ nên không được tính đến trong tính toán. Mặc dù điều này không chính xác về mặt hình thức nhưng thuật ngữ này thường được dùng để chỉ khối lượng nguyên tử trung bình của tất cả các đồng vị của một nguyên tố. Đây thực sự là khối lượng nguyên tử tương đối, còn được gọi là trọng lượng nguyên tử yếu tố. Trọng lượng nguyên tử là khối lượng nguyên tử trung bình của tất cả các đồng vị của một nguyên tố được tìm thấy trong tự nhiên. Các nhà hóa học phải phân biệt giữa hai loại khối lượng nguyên tử này khi thực hiện công việc của mình - ví dụ, giá trị khối lượng nguyên tử không chính xác có thể dẫn đến kết quả không chính xác về hiệu suất của phản ứng.
Tìm hiểu cách viết khối lượng nguyên tử. Khối lượng nguyên tử, nghĩa là khối lượng của một nguyên tử hoặc phân tử nhất định, có thể được biểu thị bằng đơn vị SI tiêu chuẩn - gam, kilôgam, v.v. Tuy nhiên, vì khối lượng nguyên tử biểu thị bằng các đơn vị này cực kỳ nhỏ nên chúng thường được viết bằng đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất, hay gọi tắt là amu. - đơn vị khối lượng nguyên tử. Một đơn vị khối lượng nguyên tử bằng 1/12 khối lượng của đồng vị tiêu chuẩn cacbon-12.
Tìm khối lượng nguyên tử trong bảng tuần hoàn. Hầu hết các bảng tuần hoàn tiêu chuẩn đều chứa khối lượng nguyên tử (trọng lượng nguyên tử) của mỗi nguyên tố. Thông thường, chúng được liệt kê dưới dạng số ở cuối ô nguyên tố, bên dưới các chữ cái đại diện cho nguyên tố hóa học. Thông thường đây không phải là số nguyên mà là phân số thập phân.
Hãy nhớ rằng bảng tuần hoàn cung cấp khối lượng nguyên tử trung bình của các nguyên tố. Như đã lưu ý trước đó, khối lượng nguyên tử tương đối cho mỗi nguyên tố trong bảng tuần hoàn là khối lượng trung bình của tất cả các đồng vị của nguyên tử. Giá trị trung bình này có giá trị cho nhiều mục đích thực tế: ví dụ, nó được sử dụng để tính khối lượng mol của các phân tử gồm nhiều nguyên tử. Tuy nhiên, khi bạn xử lý từng nguyên tử riêng lẻ, giá trị này thường không đủ.
Tìm số nguyên tử của một nguyên tố nhất định hoặc đồng vị của nó. Số hiệu nguyên tử là số proton trong nguyên tử của một nguyên tố và không bao giờ thay đổi. Ví dụ, tất cả các nguyên tử hydro và chỉ một họ có một proton. Số nguyên tử của natri là 11 vì nó có 11 proton trong hạt nhân, trong khi số nguyên tử của oxy là 8 vì nó có 8 proton trong hạt nhân. Bạn có thể tìm thấy số nguyên tử của bất kỳ nguyên tố nào trong bảng tuần hoàn - trong hầu hết các phiên bản tiêu chuẩn của nó, số này được biểu thị phía trên ký hiệu chữ cái của nguyên tố hóa học. Số nguyên tử luôn là số nguyên dương.
Tìm số nơtron trong hạt nhân. Số lượng neutron có thể khác nhau đối với các nguyên tử khác nhau của cùng một nguyên tố. Khi hai nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton nhưng có số nơtron khác nhau thì chúng là những đồng vị khác nhau của nguyên tố đó. Không giống như số proton không bao giờ thay đổi, số neutron trong nguyên tử của một nguyên tố nhất định thường có thể thay đổi, do đó khối lượng nguyên tử trung bình của một nguyên tố được viết dưới dạng phân số thập phân có giá trị nằm giữa hai số nguyên liền kề.
Cộng số proton và neutron.Đây sẽ là khối lượng nguyên tử của nguyên tử này. Bỏ qua số lượng electron bao quanh hạt nhân - tổng khối lượng của chúng cực kỳ nhỏ nên chúng hầu như không ảnh hưởng gì đến tính toán của bạn.
Xác định đồng vị nào có trong mẫu. Các nhà hóa học thường xác định tỷ lệ đồng vị của một mẫu cụ thể bằng cách sử dụng một dụng cụ đặc biệt gọi là máy quang phổ khối. Tuy nhiên, trong quá trình đào tạo, dữ liệu này sẽ được cung cấp cho bạn trong các bài tập, bài kiểm tra, v.v. dưới dạng các giá trị lấy từ tài liệu khoa học.
Xác định hàm lượng tương đối của từng đồng vị trong mẫu.Đối với mỗi nguyên tố, các đồng vị khác nhau xuất hiện ở các tỷ lệ khác nhau. Các tỷ lệ này hầu như luôn được biểu thị dưới dạng phần trăm. Một số đồng vị rất phổ biến, trong khi những đồng vị khác rất hiếm - đôi khi hiếm đến mức khó phát hiện. Các giá trị này có thể được xác định bằng phép đo phổ khối hoặc tìm thấy trong sách tham khảo.
Nhân khối lượng nguyên tử của mỗi đồng vị với nồng độ của nó trong mẫu. Nhân khối lượng nguyên tử của mỗi đồng vị với phần trăm độ phong phú của nó (được biểu thị bằng số thập phân). Để chuyển đổi phần trăm thành số thập phân, chỉ cần chia chúng cho 100. Tổng nồng độ thu được phải luôn bằng 1.
Cộng các kết quả lại. Tính tổng kết quả phép nhân bạn nhận được ở bước trước. Kết quả của thao tác này, bạn sẽ tìm thấy khối lượng nguyên tử tương đối của nguyên tố của mình - giá trị trung bình của khối lượng nguyên tử của các đồng vị của nguyên tố được đề cập. Khi xem xét toàn bộ một nguyên tố, thay vì một đồng vị cụ thể của một nguyên tố nhất định, đây là giá trị được sử dụng.
ĐẾN Như đã biết, đồng vị là các dạng nguyên tử của một nguyên tố hóa học có hạt nhân chứa cùng số proton ( Z) và nhiều loại – neutron ( N). Tổng MỘT = Z + N– số khối – đóng vai trò là đặc tính quan trọng nhất của đồng vị. Hiện tượng đồng vị được nhà hóa học phóng xạ người Anh F. Soddy phát hiện vào tháng 12 năm 1913 trong các nguyên tố phóng xạ ở cuối bảng tuần hoàn. Sau đó nó được phát hiện trong các nguyên tố ổn định. Để biết thêm thông tin về lịch sử của đồng vị, xem các tác phẩm.
Các đồng vị phóng xạ tự nhiên được nhóm thành ba “gia đình”, tổ tiên của chúng là thorium-232, uranium-238 và uranium-235 (chu kỳ bán rã của chúng được tính bằng hàng tỷ năm). “Gia đình” đang kết thúc đồng vị ổn định chỉ huy ( Z= 82) giây MỘT= 208, 206 và 207 tương ứng. Trong các khoảng trống có các đồng vị tồn tại trong thời gian ngắn của các nguyên tố có Z= 81–92, được kết nối bằng “chuỗi” A và B -phân rã. Tổng số thành viên của “họ” (không bao gồm các loại nguyên tử chì ổn định) là 41.
Hơn 1.600 đồng vị nhân tạo đã được tổng hợp thông qua các phản ứng hạt nhân khác nhau trong phạm vi Z từ 1 đến 112 (và đối với một số phần tử lớn hơn 20).
Chủ đề chúng ta chú ý sẽ là các đồng vị ổn định. Công lao chính cho khám phá của họ thuộc về nhà vật lý người Anh F. Aston. Năm 1919, ông xác định rằng khí trơ neon (trọng lượng nguyên tử 20,2) là hỗn hợp của hai đồng vị có trọng lượng nguyên tử 20 và 22. Nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu trong một thập kỷ rưỡi và phát hiện ra 210 đồng vị ổn định của hầu hết các nguyên tố. Một đóng góp đáng kể thuộc về nhà khoa học người Mỹ A. Dempster - 37 đồng vị. Các nhà nghiên cứu khác cũng tham gia vào công việc này, nhưng hầu hết chỉ giới hạn ở việc xác định một hoặc hai loại nguyên tử mới. Một sự kiện quan trọng là việc phát hiện ra các đồng vị oxy vào năm 1929 với MỘT, bằng 17 và 18, của W. Dzhiok và G. Johnston (Mỹ); Aston trước đây tin rằng chỉ có 16 O tồn tại. Sự có mặt của ba đồng vị oxy đã ảnh hưởng đến việc lựa chọn thang đo trọng lượng nguyên tử. Năm 1932, G. Urey, F. Brickwedde và G. Murphy (Mỹ) phát hiện ra đồng vị nặng của hydro - deuterium với MỘT= 2. Vanadi-50 là chất cuối cùng được phát hiện (1949).
Thông tin về các đồng vị ổn định được đưa ra trong bảng (xem trang 2). Một số trong số chúng được đánh dấu bằng dấu hoa thị (kali-40, vanadi-50, rubidium-87, indium-115, antimon-123, lanthanum-138, cerium-142, neodymium-144, samarium-147, lutetium-176, rhenium - 187, bạch kim-190 và chì-204): được tìm thấy trong chúng (hoặc về mặt lý thuyết là có thể) b -sự phóng xạ hoặc Một -độ phóng xạ (Ce, Nd, Sm, Pt) với thời gian rất dài (> 10 15 năm). Tuy nhiên, trên thực tế chúng có thể được coi là ổn định. Bảng này cũng bao gồm các đồng vị phóng xạ của thori và uranium, được tìm thấy trên Trái đất với số lượng khá lớn.
Một bảng tương tự chỉ được đưa ra trong một số chuyên khảo đặc biệt. Việc phân tích các mẫu liên quan đến các đồng vị ổn định là một môn học đặc biệt đôi khi được gọi là thống kê đồng vị.
Bảng này chứa 282 đồng vị ổn định, số lượng của chúng rất khác nhau đối với các nguyên tố khác nhau. Một loại duy nhất là đặc trưng của 21 phần tử có số lẻ Z(ngoại lệ là berili với Z= 4). 20 nguyên tố có 2 đồng vị đều có số lẻ Z(trừ khí heli có Z= 2 và cacbon s Z= 6). Sáu nguyên tố - oxy, neon, magie, silicon, argon và kali - được biểu diễn bằng ba đồng vị, tất cả các nguyên tố còn lại có số chẵn Z có từ 4 đến 10 đồng vị. “Những người giữ kỷ lục” là cadmium và Tellurium (mỗi loại có 8 đồng vị), xenon (9) và thiếc (10). Bảng thiếu các phần tử có Z= 43 (techneti) và Z= 61 (promethi). Chúng không có đồng vị ổn định và được sản xuất nhân tạo bằng phản ứng hạt nhân. Đồng vị với MỘT, bằng 5 và 8.
Hầu hết các đồng vị (173) có số chẵn MỘT và hầu hết chúng đều chứa lượng chẵn trong hạt nhân nguyên tử Z Và N. Đồng vị có số lẻ MỘTít hơn đáng kể (109). Đối với các phần tử có số chẵn Z không có nhiều hơn hai đồng vị có số lẻ MỘT(ngoại lệ – Ar với Z= 18 và Ce s Z= 58, tất cả các đồng vị của chúng đều là số chẵn MỘT).
Tập hợp các đồng vị của một nguyên tố có giá trị xác định Z(nếu có nhiều hơn một) được gọi là “pleiad”. Tỷ lệ phổ biến của các đồng vị riêng lẻ trong “pleiad” là khác nhau. Đối với các đại diện “ánh sáng” của bảng tuần hoàn ( Z < 32) при четных Zđồng vị có giá trị thấp hơn chiếm ưu thế MỘT. Ngược lại, ở các nguyên tố tiếp theo, thiên nhiên ưu tiên các đồng vị có giá trị cao hơn MỘT. Hai đồng vị có số lẻ Z cái phổ biến hơn là cái có MỘTít hơn.
Nói chung hình ảnh là thế này. Đối với các nguyên tố từ hydro đến niken ( Z= 28) có độ phong phú của một đồng vị tăng mạnh. Đối với các giá trị lớn Z, mặc dù hàm lượng đồng vị trong “bội” có khác nhau (đôi khi khá đáng kể) nhưng yếu tố “lãnh đạo” tuyệt đối không còn xuất hiện.
Các nguyên tố phổ biến nhất trong tự nhiên là (% trọng lượng của vỏ trái đất): oxy (47), silicon (29,5), nhôm (8,05), sắt (4,65), canxi (2,96), natri (2,5), kali (2,5) và magie (1,87). Tổng nội dung của họ là hơn 99%. Vì vậy, phần còn lại chỉ chiếm dưới 1%.
Trong số “tám” này, nhôm và natri được biểu thị bằng một loại nguyên tử duy nhất (27 Al và 23 Na); ở những người khác, một trong những đồng vị có hàm lượng chiếm ưu thế rõ rệt (16 O, 28 Si, 56 Fe, 40 Ca, 39 K, 24 Mg). Do đó, các đồng vị được liệt kê là vật liệu mà từ đó toàn bộ “trái đất rắn” thực sự được tạo ra. “Thành phần” chính của khí quyển là 14 N và 16 O. Cuối cùng, không gian nước là sự kết hợp của cùng một đồng vị oxy với một đồng vị hydro nhẹ (1 H). Hydro, oxy, cùng với carbon và nitơ có trong tất cả các sinh vật thực vật và động vật, và do đó chúng được tách thành một nhóm nguyên tố đặc biệt - chất hữu cơ.
Do đó, hóa ra chỉ có mười đồng vị ổn định chịu trách nhiệm quyết định cho sự đa dạng vô tận của bản chất vô cơ và hữu cơ.
PTại sao gần một nửa số nguyên tố tồn tại trên Trái đất chỉ được đại diện bởi một hoặc hai loại nguyên tử? Tại sao theo quy luật, hàm lượng của các đồng vị riêng lẻ trong các “bội” lại khác nhau rõ rệt? Cuối cùng, tại sao thiên nhiên lại ưu ái những loại nguyên tử có giá trị chẵn? Z? Danh sách các câu hỏi tương tự có thể dễ dàng được tiếp tục. Vật lý hạt nhân lý thuyết cung cấp câu trả lời cho chúng với mức độ hoàn thiện khác nhau. Tất nhiên, trong khuôn khổ bài viết này không thể phác thảo bản chất của chúng dù chỉ bằng những thuật ngữ chung chung. Về vấn đề này, chúng ta sẽ hạn chế xem xét chỉ một mẫu, nhưng rất quan trọng, quyết định phần lớn “số liệu thống kê” của các đồng vị ổn định.
Trong vật lý hạt nhân có một khái niệm "isobar"- các loại nguyên tử có cùng loại MỘT, nhưng khác Z Và N. Năm 1934, nhà khoa học người Đức J. Matthauch đã đưa ra quy luật: nếu hai isobar khác nhau về giá trị Z 1 thì một trong số chúng phải không ổn định. Ví dụ, trong một cặp đồng vị 40 Ar–40 K, chất sau có tính phóng xạ. Quy tắc này giúp có thể làm rõ một số tính năng của “thống kê đồng vị”.
Tại sao các phần tử có Z= 43 và 61 không phải là đồng vị ổn định? Về nguyên tắc, chúng có thể có một hoặc hai loại nguyên tử ổn định. Tuy nhiên, các nguyên tố liền kề với technetium và promethium (lần lượt là molypden và ruthenium, neodymium và samarium) được thể hiện trong tự nhiên bằng một số lượng lớn các đồng vị trong phạm vi rộng. MỘT. Theo quy tắc isobar, các giá trị có thể xảy ra MỘT Vì Z= 43 và 61 hóa ra là “bị cấm”. Khi các đồng vị của technetium và promethium được tổng hợp, hóa ra hầu hết chúng đều có tuổi thọ ngắn.
Những đồng vị được đánh dấu hoa thị trong bảng tạo thành cặp đẳng áp với các đồng vị của các nguyên tố lân cận (ví dụ: 87 Pb với 87 Sr, 115 In với 115 Sn, v.v.), nhưng chúng có tính phóng xạ ở mức độ rất nhỏ.
Vào buổi bình minh của quá trình phát triển tiến hóa của Trái đất, sự phong phú của các đồng vị của các nguyên tố khác nhau khác với các nguyên tố hiện đại. Nhiều đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã tương đối dài cũng có mặt. Dần dần chúng biến thành các đồng vị ổn định của các nguyên tố khác, do đó hàm lượng của chúng trong các “bộ tứ” đã thay đổi. Chỉ có thorium-232, uranium-238 và uranium-235 “sơ cấp” còn tồn tại, nhưng tài nguyên trên trái đất của chúng cũng đã giảm đi trong hàng tỷ năm. Nếu chúng không tồn tại lâu như vậy thì các nguyên tố “thứ cấp”, các đồng vị của chúng tạo nên các “gia đình” phóng xạ giờ đây sẽ không còn nữa. Trong trường hợp này, giới hạn trên tự nhiên của bảng tuần hoàn sẽ là bismuth với Z = 83.
Do đó, quy tắc isobar đóng một vai trò “sắp xếp”. Nó “loại bỏ” các loại nguyên tử có tuổi thọ ngắn, thay đổi thành phần đồng vị ban đầu của các nguyên tố và cuối cùng góp phần hình thành bức tranh cuối cùng về “thế giới các đồng vị ổn định” được trình bày trong bảng.
Kể từ khi J. Dalton tạo ra thuyết nguyên tử hóa học, trọng lượng nguyên tử (khối lượng) từ lâu đã là đặc tính định lượng cơ bản duy nhất của một nguyên tố. Việc xác định nó cho nhiều nguyên tố đòi hỏi phải có nghiên cứu thực nghiệm cẩn thận và phụ thuộc vào việc lựa chọn một “điểm tham chiếu” nhất định - thang đo trọng lượng nguyên tử (oxy O = 16 hoặc hydro H = 1). Năm 1864, nhà hóa học người Anh J. Newlands lần đầu tiên sắp xếp các nguyên tố được biết vào thời đó theo thứ tự tăng dần trọng lượng nguyên tử của chúng. Trình tự tự nhiên này góp phần đáng kể vào việc khám phá định luật tuần hoàn và sự phát triển cấu trúc của bảng tuần hoàn.
Tuy nhiên, trong ba trường hợp, sự gia tăng trọng lượng nguyên tử đã bị vi phạm: coban nặng hơn niken, Tellurium nặng hơn iốt và argon nặng hơn kali. Những “sự bất thường” như vậy, như một số nhà nghiên cứu tin tưởng, đã làm suy yếu nền tảng của định luật tuần hoàn. Bản thân D.I. Mendeleev không coi trọng những “điều bất thường” này, tin rằng sớm muộn gì họ cũng sẽ nhận được lời giải thích. Đây là những gì thực sự đã xảy ra. Tuy nhiên, nếu không có ba mà có nhiều “dị thường” hơn, thì chính tuyên bố về hiện tượng thay đổi định kỳ tính chất của các nguyên tố sẽ không quá rõ ràng. Nhưng thực tế là thiên nhiên đã hạn chế số lượng của chúng.
A r = 1/100( aA 1 + ba 2 + cA 3 ...),
Ở đâu MỘT, b, Với– hàm lượng (tính bằng%) trong “bội” đồng vị có số khối MỘT 1 , MỘT 2 , MỘT 3...tương ứng. Như có thể thấy từ bảng, đồng vị chiếm ưu thế rõ rệt trong argon MỘT= 40, trong khi kali lại nhẹ hơn MỘT= 39. Hình ảnh tương tự cũng được quan sát thấy đối với các “cặp dị thường” khác ( MỘT= 59 – đối với coban và MỘT= 58 – đối với niken; MỘT= 130 – đối với Tellurium và MỘT= 127 – đối với iốt). Vì lý do này, khối lượng nguyên tử của các nguyên tố đứng trước theo cặp lớn hơn khối lượng nguyên tử của các nguyên tố tiếp theo.
BànSố lượng lớn các đồng vị ổn định và độ phong phú tương đối của chúng
Ghi chú. Các nguyên tố không có đồng vị, cũng như đồng vị phổ biến nhất trong “bộ tứ” được tô đậm.
TRONG 1911–1914 mô hình điện tử hạt nhân của nguyên tử do E. Rutherford - N. Bohr phát triển và A. Van den Broek và G. Moseley đã chứng minh rằng số thứ tự của một nguyên tố trong bảng tuần hoàn bằng điện tích của hạt nhân của nguyên tử của nó. Kết quả là điều hiển nhiên: một loạt các nguyên tố hóa học, được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về trọng lượng nguyên tử của chúng, gần như hoàn hảo (ngoại trừ những “dị thường”) trùng khớp với chuỗi các nguyên tố tương ứng với sự tăng đơn điệu. Z.
Nguyên nhân của sự trùng hợp đáng ngạc nhiên này nằm ở tính “cố định” của thành phần đồng vị của các nguyên tố tồn tại trên Trái đất. Chúng tôi đã lưu ý rằng khi bắt đầu quá trình tiến hóa, thành phần này rất khác. Tuy nhiên, nó không thể khác biệt nhiều so với hiện đại. Do đó, sự phong phú ban đầu của các đồng vị ổn định là kết quả của các quá trình liên quan đến các sự kiện cơ bản liên quan đến phạm vi các khái niệm vật lý thiên văn. Chính xác hơn là với bài toán về nguồn gốc của các phần tử.
Trở lại những năm 1920. Ý tưởng đã được bày tỏ rằng sự hình thành các nguyên tố xảy ra trong bầu khí quyển của các ngôi sao, trong điều kiện nhiệt độ và áp suất rất cao. Sau đó, các lý thuyết chung về nguồn gốc của các nguyên tố bắt đầu được phát triển. Một trong số đó, được đề xuất vào năm 1948 bởi R. Alpher, G. Boethe và G. Gamow, giả định rằng sự tổng hợp các nguyên tố xảy ra là kết quả của “vụ nổ” của một sao neutron. Các neutron được giải phóng phân rã thành proton và electron. Các proton và electron được nhóm lại thành các hệ phức tạp hơn - các nguyên tử của nhiều nguyên tố khác nhau. Theo các tác giả của lý thuyết này, bằng cách bắt giữ tuần tự các neutron và b – - sự phân rã của các nguyên tử thu được đã tạo ra một số lượng lớn các đồng vị phóng xạ và ổn định, bao gồm cả những đồng vị hiện đang tồn tại trên Trái đất. Hơn nữa, toàn bộ quá trình tổng hợp được hoàn thành trong 15 phút (!). Tuy nhiên, lý thuyết tao nhã này hóa ra không thể đứng vững được. Vì vậy, đồng vị với MỘT= 5 và 8 (nhân tiện, chúng không có trong bảng) không ổn định đến mức chúng phân rã trước khi hạt nhân của chúng có thời gian bắt giữ neutron tiếp theo.
Ngày nay người ta đã chứng minh rằng quá trình tổng hợp các nguyên tố liên tục xảy ra trong các ngôi sao và ở Các giai đoạn khác nhau sự tiến hóa của chúng. Một số bộ đồng vị nhất định được hình thành do các phản ứng hạt nhân khác nhau. Sự phong phú của các nguyên tố trong vũ trụ, khác biệt rõ rệt so với trên mặt đất, đã nhận được lời giải thích khá thỏa đáng. Do đó, hydro và heli chiếm ưu thế trong không gian. Tuy nhiên, khi bạn tăng Z sự khác biệt này trở nên ít rõ rệt hơn.
“Khuôn khổ” của thành phần đồng vị hiện đại của các nguyên tố trên Trái đất đã được xây dựng từ nhiều tỷ năm trước và “sự hoàn thiện” của nó đã gắn liền với các quá trình diễn ra trong suốt lịch sử của hành tinh chúng ta.
Để kết luận, chúng ta hãy chú ý đến một “sắc thái” thuật ngữ quan trọng. Khái niệm “đồng vị” là chính đáng khi Chúng ta đang nói về về các loài nguyên tử với ý nghĩa cụ thể Z. Nếu các loài có khác biệt Z, thì trong trường hợp này, việc sử dụng tên "đồng vị" là không đủ hợp lý (xét cho cùng, các loại nguyên tử nằm trong các ô khác nhau của hệ thống tuần hoàn được so sánh).
Ngày nay, thuật ngữ “hạt nhân”, do nhà vật lý người Mỹ T. Coman đưa ra vào năm 1947, đã trở nên phổ biến: “Một loại nguyên tử được đặc trưng bởi thành phần hạt nhân của nó, đặc biệt là số lượng proton và neutron mà nó chứa”. Do đó, trong bảng trên, từ “đồng vị” có thể được thay thế bằng “hạt nhân”. Tuy nhiên, sự thay thế này sẽ không ảnh hưởng đến tất cả các lý do tiếp theo.
Người giới thiệu
1. Aston F. Phổ khối và đồng vị. M.: Nhà xuất bản nước ngoài. văn học, 1948.
2. Vyaltsev A.N., Krivomazov A.N., Trifonov D.N.. Quy luật dịch chuyển và hiện tượng đồng vị. M.: Atomizdat, 1976.
3. Trifonov D.N., Krivomazov A.N., Lisnevsky Yu.I. Nguyên tố hóa học và hạt nhân. Đặc điểm của những khám phá. M.: Atomizdat, 1980.
4. Trifonov D.N. Bảng tuần hoàn các nguyên tố. Lịch sử trong bảng. M.: MP VHO im. D.I.Mendeleeva, 1992, tr. 46.
5.Vorontsova E.R.. Trọng lượng nguyên tử. Lịch sử phát triển của các phương pháp thí nghiệm. M.: Nauka, 1984.
6. Lisnevsky Yu.I.. Trọng lượng nguyên tử và sự xuất hiện vật lý nguyên tử. M.: Nauka, 1984.
7. Rankama K. Đồng vị trong địa chất. M.: Nhà xuất bản nước ngoài. văn học, 1956.
8. Gaisinsky M.N.. Hóa học hạt nhân và ứng dụng của nó. M.: Nhà xuất bản nước ngoài. văn học, 1962.
9. Trifonov D.N.. Câu chuyện “bất thường”. Hóa học, 1996, số 26, 28.
D.N. TRIFONOV
Bảng 1.1
Các loại phân rã phóng xạ lõi
| Loại phóng xạ của hạt nhân | Loại hạt phát ra | Năm khai trương | Tác giả của khám phá |
|---|---|---|---|
| Độ phóng xạ của hạt nhân nguyên tử | Bức xạ làm tấm ảnh bị đen | 1896 | A. Becquerel |
| Phân rã alpha | 4 Không | 1898 | E. Rutherford |
| β - -phân rã | e- | 1898 | E. Rutherford |
| β+-phân rã | e+v | 1934 | I. và F. Joliot-Curie |
| chụp điện tử | ν | 1938 | L.Alvarez |
| phân rã gamma | γ-lượng tử | 1900 | P. Villard |
| Đồng phân hạt nhân | γ, chụp điện tử, β +, β -, phép chia | 1921 | O.Hahn |
| Phân hạch tự phát | Hai mảnh có khối lượng tương đương | 1940 | G.N. Flerov, K.A. Petrzak |
| Phân rã kép β | e-e-e | 1950 | MG Ingram, J.H. Reynolds |
| độ phóng xạ của proton | R | 1981 | S. Hofmann |
| Độ phóng xạ của cụm | 14 C | 1984 | H. Rose, G. Jones, D.W. Alexandrov |
| Độ phóng xạ hai proton | 2p | 2002 | J. Giovinazzo, B. Blank và cộng sự. M. Pfutzner, E. Badura và cộng sự. |
Hiện tượng phân rã β kép được phát hiện vào năm 1950. M. Ingram và J. Reynolds đã phát hiện ra đồng vị 130 Xe trong số các sản phẩm phân rã của 130 Te, được giải thích bằng sự biến đổi đồng vị 130 Te thành đồng vị 130 Xe với sự phát xạ đồng thời của hai electron và hai phản neutrino. Từ đó việc nghiên cứu hiện tượng phân rã β kép đã trở thành một trong số đó. phương pháp hiệu quả nghiên cứu tính chất của neutrino, kiểm tra Mô hình Chuẩn.
Hiện nay, ~3500 hạt nhân nguyên tử đã được biết đến, đại diện cho nhiều tổ hợp số proton khác nhau Z và neutron N. Theo ước tính hiện có, số lượng hạt nhân nguyên tử có thể là ~7000. Hạt nhân nguyên tử được chia thành hai nhóm lớn -
Từ Tổng số~3500 hạt nhân nguyên tử đã biết ~350 hạt nhân ổn định.
đồng vị−hạt nhân nguyên tử có cùng số proton (Z = const) và khác nhau về số neutron.
Đồng vị− hạt nhân nguyên tử có cùng số neutron (N = const) và khác nhau về số proton.
Isobar− hạt nhân nguyên tử có cùng số khối A (A = Z + N) nhưng khác nhau về số neutron và proton.
Cơm. 1.1. Sơ đồ N-Z Hạt nhân nguyên tử.
Bảng 1.2
Bảng đồng vị của các nguyên tố hóa học
| Số seri, Z | Ký hiệu nguyên tố hóa học | Tên nguyên tố hóa học | Số khối lượng tối thiểu-tối đa của một đồng vị của một nguyên tố hóa học |
|---|---|---|---|
| 0 | N | neutron | 1 |
| 1 | H | hydro | 1–7 |
| 2 | Anh ta | khí heli | 3–10 |
| 3 | Lý | liti | 3–12 |
| 4 | Là | berili | 5–16 |
| 5 | B | boron | 6–19 |
| 6 | C | carbon | 8–22 |
| 7 | N | nitơ | 10–25 |
| 8 | ồ | ôxy | 12–28 |
| 9 | F | chất flo | 14–31 |
| 10 | Ne | đèn neon | 16–34 |
| 11 | Na | natri | 18–37 |
| 12 | Mg | magie | 19–40 |
| 13 | Al | nhôm | 21–43 |
| 14 | Sĩ | silic | 22–44 |
| 15 | P | phốt pho | 24–46 |
| 16 | S | lưu huỳnh | 26–49 |
| 17 | Cl | clo | 28–51 |
| 18 | Ar | argon | 30–53 |
| 19 | K | kali | 32–55 |
| 20 | Ca | canxi | 34–57 |
| 21 | Sc | Scandium | 36–60 |
| 22 | Ti | titan | 38–63 |
| 23 | V. | vanadi | 40–65 |
| 24 | Cr | crom | 42–67 |
| 25 | Mn | mangan | 44–69 |
| 26 | Fe | sắt | 45–72 |
| 27 | có | coban | 50–75 |
| 28 | Ni | niken | 48–78 |
| 29 | Củ | đồng | 52–80 |
| 30 | Zn | kẽm | 54–83 |
| 31 | Ga | gali | 56–86 |
| 32 | Ge | germani | 58–89 |
| 33 | BẰNG | thạch tín | 60–92 |
| 34 | Se | selen | 64–94 |
| 35 | anh | nước brom | 67–97 |
| 36 | Kr | krypton | 69–100 |
| 37 | Rb | rubidi | 71–101 |
| 38 | Sr | stronti | 73–105 |
| 39 | Y | yttri | 76–108 |
| 40 | Zr | zirconi | 78–110 |
| 41 | Nb | niobi | 81–113 |
| 42 | Mo | molypden | 83–115 |
| 43 | Tc | tecneti | 85–118 |
| 44 | Ru | rutheni | 87–120 |
| 45 | Rh | rhodium | 89–122 |
| 46 | Pd | paladi | 91–124 |
| 47 | Ag | bạc | 93–130 |
| 48 | Đĩa CD | cadimi | 95–132 |
| 49 | TRONG | indi | 97–135 |
| 50 | Sn | thiếc | 99–137 |
| 51 | sb | antimon | 103–139 |
| 52 | tế | Tellurium | 105–142 |
| 53 | TÔI | iốt | 108–144 |
| 54 | Xe | xenon | 109–147 |
| 55 | Cs | xêzi | 112–151 |
| 56 | Ba | bari | 114–153 |
| 57 | La | lanthanum | 117–155 |
| 58 | Ce | xeri | 119–157 |
| 59 | Pr | praseodymium | 121–159 |
| 60 | Nd | neodymium | 124–161 |
| 61 | Buổi chiều | promethi | 126–163 |
| 62 | Sm | samari | 128–165 |
| 63 | EU | europium | 130–167 |
| 64 | Chúa | gadolinium | 134–169 |
| 65 | Tb | terbi | 135–171 |
| 66 | Dy | chứng khó tiêu | 138–173 |
| 67 | Hồ | holmi | 140–175 |
| 68 | ờ | erbi | 143–177 |
| 69 | Tm | chất hóa học | 144–179 |
| 70 | Yb | ytterbium | 148–181 |
| 71 | Lữ | luteti | 150–184 |
| 72 | Hf | hafini | 151–188 |
| 73 | Ta | tantalum | 155–190 |
| 74 | W | vonfram | 158–192 |
| 75 | Nốt Rê | rheni | 159–194 |
| 76 | os | osmi | 162–200 |
| 77 | tôi | iridi | 164–202 |
| 78 | Pt | bạch kim | 166–203 |
| 79 | Âu | vàng | 169–205 |
| 80 | Hg | thủy ngân | 171–210 |
| 81 | Tl | tali | 176–212 |
| 82 | Pb | chỉ huy | 178–215 |
| 83 | Bi | bismuth | 184–218 |
| 84 | Po | poloni | 188–220 |
| 85 | Tại | nguyên tố này | 191–223 |
| 86 | Rn | radon | 193–228 |
| 87 | Cha | Pháp | 199–232 |
| 88 | Ra | đường bán kính | 201–234 |
| 89 | AC | Actini | 206–236 |
| 90 | Th | thori | 208–238 |
| 91 | Pa | protactini | 212–240 |
| 92 | bạn | Sao Thiên Vương | 217–242 |
| 93 | Np | neptuni | 225–244 |
| 94 | Pu | plutoni | 228–247 |
| 95 | Là | Mỹ | 230–249 |
| 96 | Cm | curium | 232–252 |
| 97 | Bk | berkeli | 234–254 |
| 98 | CF | californi | 237–256 |
| 99 | Es | einsteini | 240–258 |
| 100 | Fm | fermi | 242–260 |
| 101 | MD | mendelevium | 245–262 |
| 102 | KHÔNG | nobeli | 248–264 |
| 103 | Lr | Lawrencia | 251–266 |
| 104 | Rf | rutherfordi | 253–268 |
| 105 | Db | dubni | 255–269 |
| 106 | Sg | seaborgi | 258–273 |
| 107 | Bh | bohri | 260–275 |
| 108 | Hs | Hassiy | 263–276 |
| 109 | núi | meitnerium | 265–279 |
| 110 | Ds | Darmstadt | 267–281 |
| 111 | R G | roentgeni | 272–283 |
| 112 | Cn | copernicium | 277–285 |
| 113 | Ưu | 278–287 | |
| 114 | FL | flerovi | 286–289 |
| 115 | úp | 287–291 | |
| 116 | Cấp độ | lá gan | 290–293 |
| 117 | Uus | 291–292 | |
| 118 | Ưu | 294 |
Bảng 1.2 cho thấy số sê-ri, ký hiệu, tên và số khối lượng tối thiểu và tối đa của các đồng vị được phát hiện đối với tất cả các nguyên tố hóa học được phát hiện. nguyên tố hóa học Với Z= 113–118 tên chưa được ấn định; chúng được đặt theo tên gọi quốc tế đặc biệt.
Trong bộ lễ phục. Hình 1.1 biểu diễn sơ đồ N-Z của hạt nhân nguyên tử. Các chấm đen biểu thị hạt nhân ổn định. Vùng có hạt nhân ổn định thường được gọi là thung lũng ổn định. Hạt nhân thung lũng ổn định được đặc trưng bởi tỷ lệ sau đây giữa số lượng neutron N và số lượng proton Z:
N/Z = 0/98 + 0/015A 2/3 ,
trong đó A = N + Z là số khối.
Hạt nhân bền nhẹ (A< 40) имеют приблизительно равные числа
нейтронов и протонов. В области более тяжелых ядер отношение числа нейтронов к
числу протонов начинает возрастать и достигает величины 1.6 в районе A =
250. Это изменение легко
понять, если учесть короткодействующий характер lực hạt nhân và vai trò ngày càng tăng của tương tác Coulomb giữa các proton trong hạt nhân với số khối A ngày càng tăng. Hạt nhân nặng hóa ra ổn định hơn về mặt năng lượng nếu chúng chứa số neutron N lớn hơn so với số proton Z. Hạt nhân nặng nhất ổn định là các đồng vị chì 206, 207, 208 Pb (Z = 82) và bismuth 209 Bi (Z = 83). Tính ổn định của hạt nhân nguyên tử được đặc trưng bởi chu kỳ bán rã của nó. Một số lõi thung lũng ổn định được coi là ổn định. Tuy nhiên, chúng thực sự có thể phân rã với chu kỳ bán rã rất dài, thường vượt quá thời gian tồn tại của Vũ trụ t = 13,7·10 9 năm. Một ví dụ là các đồng vị 100 Mo, 76 Ge, được coi là đồng vị ổn định, nhưng chu kỳ bán rã của chúng do phân rã β kép hiện đang được đo
T 1/2 (100 Mo → 100 Ru + 2e - + 2) = (7,6±0,4) 10 18 năm,
T 1/2 (76 Ge → 76 Se + 2e - + 2) = (1,5±0,1) 10 21 năm,
Một tình huống tương tự xảy ra trong trường hợp một số hạt nhân nặng chẵn Z = 64–78, được coi là ổn định, nhưng có năng lượng dương so với sự phân rã α. Chúng được phân loại là hạt nhân ổn định, ví dụ, đồng vị 176–179 72 Hf. Ở phía bên trái của hạt nhân ổn định có hạt nhân bị quá tải proton (hạt nhân giàu proton), ở bên phải - hạt nhân bị quá tải neutron (hạt nhân giàu neutron). Màu tối trong bộ lễ phục. 1.1 nêu bật các hạt nhân nguyên tử hiện được phát hiện. Dựa trên mô hình khác nhau người ta tin rằng tổng số hạt nhân nguyên tử có thể là ~7000.
Trạng thái liên kết của hạt nhân nguyên tử được định nghĩa là trạng thái ổn định đối với sự phát xạ neutron hoặc proton. Đường B p = 0 (B p là năng lượng tách proton) giới hạn vùng tồn tại của hạt nhân nguyên tử ở bên trái (đường nhỏ giọt proton). Đường B n = 0 (B n – năng lượng tách neutron) – bên phải (đường nhỏ giọt neutron). Bên ngoài những ranh giới này, hạt nhân nguyên tử không thể tồn tại, vì chúng phân rã trong thời gian hạt nhân đặc trưng (~ 10 -22 s) khi phát ra một hoặc một số nucleon. Nếu tuổi thọ trung bình của hạt nhân là τ< 10 -22 c, обычно считается, что ядро
не существует, т.к. за это время не успевает образоваться структура характерная
для данного ядра. Обычно считается, что времена жизни радиоактивных ядер τ >10-16 giờ tối Tuổi thọ hạt nhân do phát xạ nucleon, 10 -23 giây< τ < 10 -16 c. Ядра, имеющие такие
времена жизни, обычно наблюдаются в виде резонансов в сечениях ядерных реакций.
Среднее время жизни ядра τ и ширина резонанса Г связаны соотношением
τ = ћ/ Г, τ[c] = 6,6·10 -22 /Г[MeV].
Việc tính toán các ranh giới phát xạ nucleon là khá khó khăn, vì độ chính xác mà năng lượng liên kết của hạt nhân đã biết (vài trăm keV) là không đủ để xác định xem hạt nhân đó có phóng xạ hay không hay nó sẽ phân rã khi phát xạ nucleon.
Vì vậy, độ chính xác của việc dự đoán ranh giới tồn tại của hạt nhân nguyên tử là 4–5 đơn vị theo công thức MỘT. Trước hết, điều này áp dụng cho ranh giới nơi đặt hạt nhân nguyên tử không ổn định về mặt phát xạ neutron.
Ở góc trên bên phải của biểu đồ N–Z có một vùng hạt nhân nguyên tử siêu nặng hiện đang được nghiên cứu chuyên sâu. Nghiên cứu hạt nhân nguyên tử siêu nặng có Z = 109 118 cho thấy ở vùng hạt nhân này, vỏ hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ ổn định của chúng. Sự phù hợp khá tốt giữa tính toán lý thuyết và số liệu thực nghiệm thu được gần đây cho phép dự đoán sự tồn tại của đảo ổn định trong vùng Z = 110 116 và N = 178 186. Các hạt nhân của đảo ổn định phải có độ ổn định cao hơn đối với độ phân rã α và β và phân hạch tự phát. Ước tính lý thuyết cho thấy thời gian tồn tại của hạt nhân nằm ở trung tâm đảo ổn định có thể là ~10 5 năm. Khó khăn trong việc thâm nhập hòn đảo ổn định là do khó lựa chọn sự kết hợp của các hạt nhân thích hợp, việc sử dụng chúng làm mục tiêu và hạt sự cố sẽ cho phép người ta đi vào trung tâm của hòn đảo ổn định.
Tính chất của neutron và proton tự do
| đặc trưng | N | P |
|---|---|---|
| Khối lượng, MeV/c 2 | 939,56536±0,00008 | 938,27203±0,00008 |
| Số lượng tử − spin | 1/2 | ћ 1/2 1/2 |
| Spin, ћ = 6,58×10 –22 MeV c | ћ 1/2 | |
| Sạc điện, q e = (1,602176487 ± 40)×10 -19 C |
(–0,4 ± 1,1)×10 -21 q e | |q p +q e|/ q e< 10 -21 |
| Mô men từ μ = eћ/2m p c = 3,15×10 -18 MeV/G |
–1.9130427±0.000005 | +2.792847351±000000028 |
| Momen lưỡng cực điện d, e cm | < 0.29×10 –25 | < 0.54×10 –23 |
| Điện tích Baryon B | +1 | +1 |
| Bán kính điện tích, fm | 0,875±0,007 | |
| Bán kính phân phối mô men từ, fm |
0,89±0,07 | 0,86±0,06 |
| Isospin tôi | 1/2 | 1/2 |
| Phép chiếu isospin I z | –1/2 | +1/2 |
| Thành phần quark | udd | uu |
| Số lượng tử s,c,b,t | 0 | 0 |
| Thời gian sống trung bình | (885,7±0,8) giây | > 2,1×10 29 năm |
| Ngang bằng | + | + |
| Số liệu thống kê | Fermi-Dirac | |
| Sơ đồ phân rã | n → p + e- + e | |
|
Năng lượng liên kết hạt nhân E St(A, Z) = c 2 Công thức Weizsäcker E St = a 1 A - a 2 A 2/3 - a 3 Z 2 /A 1/3 - a 4 (A/2 - Z) 2 /A + a 5 A -3/4. trong đó 1 = 15,75 MeV; a2 = 17,8 MeV; a3 = 0,71 MeV; a 4 = 23,6 MeV;
|
Phóng xạ là khả năng hạt nhân nguyên tử phân rã tự phát bằng cách phát ra các hạt.
Sự phân rã phóng xạ của hạt nhân có thể xảy ra trong trường hợp nó thuận lợi về mặt năng lượng, tức là kèm theo sự giải phóng năng lượng. Điều kiện để đạt được điều này là khối lượng M của hạt nhân ban đầu vượt quá tổng khối lượng m i của các sản phẩm phân rã,
Điều kiện này là cần thiết nhưng không phải lúc nào cũng đủ. Sự phân rã phóng xạ có thể bị cấm bởi các định luật bảo toàn khác - bảo toàn động lượng góc, sạc điện, điện tích baryon và các điện tích khác.
Sự phân rã phóng xạ được đặc trưng bởi thời gian tồn tại của đồng vị phóng xạ, loại hạt phát ra và năng lượng của chúng.
Các loại phân rã phóng xạ chính là:
α-phân rã - phát xạ hạt nhân nguyên tử hạt α;
γ-phân rã – sự phát xạ lượng tử γ của hạt nhân nguyên tử;
Để biết thêm các loài quý hiếm phân rã phóng xạ bao gồm:
Trong tất cả các loại phân rã phóng xạ (trừ phân rã γ), thành phần của hạt nhân thay đổi - số proton Z, số khối A, hoặc cả hai.
Các đặc tính của sự phân rã phóng xạ bị ảnh hưởng đáng kể bởi các tương tác gây ra sự phân rã. phân rã α được gây ra bởi tương tác mạnh. Phân rã β là do tương tác yếu và phân rã gamma là do tương tác điện từ.
Có nhiều lý do khác nhau giải thích tại sao thời gian sống của hạt nhân không ổn định có thể thay đổi theo nhiều bậc độ lớn.
Để mô tả tốc độ (xác suất) phân rã phóng xạ, ba đại lượng có liên quan với nhau được sử dụng - hằng số phân rã λ, thời gian sống trung bình τ và chu kỳ bán rã T 1/2.
Hằng số phân rã λ là xác suất phân rã hạt nhân trong một đơn vị thời gian. Nếu có N hạt nhân phóng xạ trong một mẫu tại thời điểm t, thì số hạt nhân dN bị phân rã trong thời gian dt tỷ lệ thuận với Nλ và khoảng thời gian dt:
Dấu “–” có nghĩa là do sự phân rã nên số hạt nhân phóng xạ trong mẫu giảm đi.
Định luật phân rã phóng xạ có dạng:
N(t) = N 0 e −λt ,
trong đó N 0 là số hạt nhân phóng xạ có trong mẫu tại thời điểm ban đầu t = 0, N(t) là số hạt nhân phóng xạ, không chia tay trong mẫu tại thời điểm t.
Thời gian sống trung bình
τ:
.
Nửa đời T 1/2 – thời gian mà số hạt nhân phóng xạ ban đầu giảm đi một nửa:
T 1/2 = ln2/λ=0,693/λ = τln2.
Hoạt độ nguồn I là số lần phân rã trung bình của hạt nhân nguồn trong một đơn vị thời gian.
Đơn vị của hoạt độ được coi là số lần phân rã xảy ra trong 1 giây trong 1 g radium, số này ở trạng thái cân bằng với các sản phẩm phân rã. Đơn vị hoạt động này được gọi là “Curie” và bằng 3,7·10 10 phân rã mỗi giây. Đơn vị hoạt độ trong SI là Becquerel, tương đương với 1 phân rã mỗi giây.
1 Curie = 3,7 10 10 phân rã mỗi giây.
1 Becquerel = 1 phân rã mỗi giây.
1 Curie = 3,7 10 10 Becquerel.
Bằng cách đo hoạt độ nguồn I(t), có thể xác định được hằng số phân rã λ. Đối với các đồng vị có hằng số phân rã nhỏ và do đó có thời gian bán hủy dài, hệ thức (1.1) được sử dụng. Trong trường hợp này, số lượng hạt nhân N thực tế không thay đổi trong quá trình đo và có thể được xác định bằng phương pháp khối phổ. Đối với các đồng vị có hằng số phân rã lớn, hệ thức được sử dụng
I(t) = I 0 e −λt .
Nếu vẽ đồ thị sự phụ thuộc của hoạt độ nguồn I(t) vào thời gian t theo thang bán logarit ln I(t), thì góc nghiêng φ của đường thẳng với trục t sẽ xác định giá trị λ.
Cơm. 1.2. Đồ thị phân rã của một loại thuốc phóng xạ theo thang bán logarit. Đường liền nét tương ứng với định luật phân rã phóng xạ I(t) = I 0 e −λt.
Điều trên áp dụng cho một đồng vị có một kênh phân rã. Sự phụ thuộc của hoạt động vào thời gian có thể được biểu diễn bằng tổng của hai hoặc nhiều số mũ, tức là
| (1.2) |
Điều thứ hai cho thấy nguồn chứa một số đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã khác nhau. Trong trường hợp này, sự phân rã của từng nguyên tố phóng xạ xảy ra độc lập.
Nếu một loại thuốc phóng xạ chứa hai đồng vị phóng xạ khác nhau không liên kết với nhau bằng chuỗi phân rã liên tiếp
Nếu chu kỳ bán rã của các đồng vị khác nhau rất nhiều λ 1 >> λ 2 và số hạt nhân phóng xạ ban đầu của mỗi đồng vị là tương đương nhau, thì ở mức t nhỏ hệ thức
log(−dI/dt) ≈ log(N 1 λ 1).
Nói chung t
ln(−dI/dt) ≈ ln(N 2 λ 2).
Trong bộ lễ phục. Hình 1.3 biểu diễn trên thang bán logarit sự thay đổi theo thời gian hoạt động của một nguồn gồm hai thành phần có hằng số phân rã khác nhau λ 1 và λ 2.
Hình.1.3. Sự thay đổi theo thời gian về hoạt độ trung bình của một nguồn gồm hai đồng vị không liên quan với nhau bằng một chuỗi phân rã liên tiếp. Các tiếp tuyến của các góc φ 1 và φ 2 của độ dốc của các đường thẳng này lần lượt bằng các hằng số phân rã λ 1 và λ 2, tức là. tgφ 1 = λ 1, tgφ 2 = λ 2.
Mối quan hệ (1.2) chỉ đúng nếu các đồng vị phóng xạ không có quan hệ di truyền. Thông thường, hạt nhân II, do sự phân rã phóng xạ của hạt nhân I, cũng có tính phóng xạ và có hằng số phân rã khác λ 2. Trong một số trường hợp, sự biến đổi tuần tự của hạt nhân phóng xạ dẫn đến sự hình thành số lượng lớn các đồng vị phóng xạ khác nhau (Hình 1.4). Trong trường hợp này, sự phụ thuộc của hoạt động nguồn vào thời gian sẽ phức tạp hơn.
Cơm. 1.4. Chuỗi phân rã β - liên tiếp của hạt nhân đồng vị A = 92.
Đối với hai phân rã liên tiếp N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t), sự thay đổi số hạt nhân N 1 (t) và số hạt nhân N 2 (t) được mô tả bằng hệ phương trình phương trình
Số lượng hạt nhân N 1(t) giảm đi do chúng phân rã. Số lượng hạt nhân N 2 (t) giảm do sự phân rã của chúng và tăng do sự phân rã của hạt nhân N 1.
Trong trường hợp điều kiện ban đầu t = 0, N 1 (0) = N 10, N 2 (0) = 0 thì nghiệm của hệ phương trình (1.3) có dạng
Nếu λ 1 > λ 2 thì đường cong phân rã sẽ có dạng giống như trường hợp phân rã độc lập của hai đồng vị có chu kỳ bán rã khác nhau. Nếu λ 1< λ 2 , кривая логарифма активности будет иметь максимум (рис. 1.5). Подъём на начальном участке обусловлен накоплением ядер N 2 . При больших временах (λ 1 t >> 1) phần đóng góp của hàm mũ với λ 1 trở nên nhỏ không đáng kể và xảy ra cân bằng phóng xạ, trong đó các hoạt độ được so sánh và tỉ số giữa các số N 1 và N 2 trở nên không phụ thuộc vào thời gian.
N 1 /N 2 = λ 2 /λ 1.
Cơm. 1.5. Sự phụ thuộc logarit của hoạt độ vào t đối với chuỗi phân rã N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) tại
λ 1< λ 2 .
Sự phân rã của các đồng vị 36 Cl và 212 Bi, có một số kênh phân rã.
Đồng vị 36 Cl phân rã qua ba kênh khác nhau.
Đồng vị 212Bi phân rã qua hai kênh khác nhau.
Trong trường hợp có nhiều phân rã liên tiếp
N 1 (t) → N 2 (t) → N 3 (t) → ...,
khi chu kỳ bán rã của hạt nhân N1 lớn hơn nhiều so với chu kỳ bán rã của hạt nhân khác
T 1/2 (N 1) >> T 1/2 (N 2), T 1/2 (N 3),...
số hạt nhân của các đồng vị khác nhau có liên hệ với nhau bằng mối quan hệ
N 1(t): N 2(t): N 3(t) : ... = T 1/2 (N 1) : T 1/2 (N 2) : T 1/2 (N 3) : . ..
Trạng thái này được gọi là trạng thái cân bằng thế tục.
Thông thường, một đồng vị phóng xạ có thể có nhiều kênh phân rã khác nhau, chẳng hạn như trường hợp phân rã của đồng vị 36 Cl. Đồng vị 36 Cl phân rã với xác suất 98,1% do phân rã β -, với xác suất 1,9% do phân rã β +, bắt điện tử là 0,001%. Trong trường hợp này tổng xác suất phân rã λ bao gồm xác suất phân rã thông qua các kênh khác nhau
λ = λ 1 + λ 2 + λ 3.
Xác suất suy giảm tương đối ω i dọc theo kênh i được xác định bởi quan hệ ω i = λ i /λ.
Nếu trong quá trình đo, số lượng hạt nhân đồng vị thay đổi ít thì hoạt độ của nguồn I và cường độ phân rã từng phần trong các kênh I 1, I 2, I 3 có liên quan với nhau bởi mối quan hệ
Tôi = λN = Tôi 1 + Tôi 2 + Tôi 3 = λ 1 N + λ 2 N + λ 3 N,
trong trường hợp này mối quan hệ được thực hiện
Tôi 1: Tôi 2: Tôi 3 = λ 1: λ 2: λ 3.
Nếu cường độ của đồng vị giảm theo thời gian thì cường độ phân rã trong từng kênh I i sẽ được mô tả bằng hệ thức
I i (t) = λ i N(t) = λ i N(0)e −λt ,
những thứ kia. sự thay đổi cường độ phân rã dọc theo kênh i I i (t) sẽ được xác định bởi giá trị λ. Đại lượng T i = ln2/λ i được gọi là chu kỳ bán rã một phần.
Kích hoạt là quá trình tạo ra chất phóng xạ bằng cách chiếu xạ hạt nhân ổn định bằng neutron, proton và các loại bức xạ khác. Số lượng hạt nhân được kích hoạt phụ thuộc vào số lượng nguyên tử trong mục tiêu, thời gian chiếu xạ và tiết diện hiệu dụng phản ứng hạt nhân, trong đó đồng vị đang nghiên cứu được hình thành.
Mặt cắt hiệu dụng σ
của một quá trình nhất định đặc trưng cho xác suất tương tác của hạt với hạt nhân đang được xem xét và được định nghĩa là tỷ lệ giữa số lượng sự kiện thuộc loại nhất định trên một đơn vị thời gian trên một hạt nhân mục tiêu với dòng hạt tới qua một đơn vị bề mặt của mục tiêu. Nếu một lớp vật chất chứa n hạt nhân giao nhau ν
hạt/cm2 s thì số lần tương tác m do chúng gây ra trong một đơn vị thời gian sẽ bằng
Mặt cắt ngang hiệu quả được đo bằng chuồng:
1 b = 10 -24 cm 2.
Cho một dòng ν hạt/cm 2 s rơi vào một mẫu chứa n hạt nhân, và đặt tiết diện hiệu dụng để bắt giữ các hạt tới có sự hình thành hạt nhân phóng xạ bằng σ. Sau đó hạt nhân phóng xạ νnσ được hình thành trong mẫu trong một giây. Cần phải tính đến việc một số hạt nhân mới hình thành sẽ tan rã trong quá trình kích hoạt. Trong thời gian dt, hạt nhân νnσdt được hình thành và λNdt phân rã, trong đó N là số hạt nhân kích hoạt được tích lũy theo thời gian t. Kết quả là sự thay đổi số lượng hạt nhân phóng xạ được mô tả bằng mối quan hệ
dN = νnσdt − λNdt, hoặc
dN/dt = νnσ − λN.
Đối với thời gian kích hoạt lớn t > 1/λ sự gia tăng số lượng hạt nhân phóng xạ trên thực tế đã dừng lại (dN/dt → 0). Điều này xảy ra khi số hạt nhân phóng xạ được hình thành gần bằng số hạt nhân phóng xạ đang phân rã, tức là. khi số hạt nhân phóng xạ N(t) → N n = νnσ/λ.
Đại lượng Nn được gọi là kích hoạt bão hòa
.
Sự phụ thuộc của hoạt hóa N(t) vào thời gian chiếu xạ t có dạng
N(t) = N n (1 − e −λt).
Cơm. 1.6. Sự phụ thuộc của việc kích hoạt mẫu vào thời gian.
Sự phụ thuộc của việc kích hoạt mẫu vào thời gian được thể hiện trong Hình 2. 1.6. Hầu như đạt được độ bão hòa trong thời gian chiếu xạ tương ứng với 4–5 chu kỳ bán rã. Tại t<< T распадом можно пренебречь. В этом случае N(t) = νnσt,
tức là khi bắt đầu chiếu xạ, số lượng hạt nhân phóng xạ tăng tuyến tính theo thời gian.
Neutron thường được sử dụng để tạo ra các đồng vị phóng xạ, vì hạt nhân không có lực đẩy tĩnh điện đối với chúng. Năm 1935, Fermi phát hiện ra rằng độ phóng xạ cảm ứng tăng lên nhiều lần nếu nguồn neutron và mục tiêu được chiếu xạ được bao quanh bởi một chất chứa hydro, chẳng hạn như parafin.
Hóa ra, điều này là do các neutron khi va chạm với các proton có khối lượng bằng nhau sẽ nhanh chóng mất năng lượng và truyền trong môi trường ở tốc độ nhiệt. Xác suất neutron nhiệt bị hạt nhân nguyên tử bắt giữ tỷ lệ nghịch với tốc độ của chúng và đạt giá trị cực đại. Ngoài ra, neutron nhiệt, trải qua một số lượng lớn va chạm trong parafin, di chuyển hỗn loạn và có thể đi qua mục tiêu được chiếu xạ nhiều lần.
Khi neutron nhiệt bị hạt nhân có số khối A bắt giữ, một “hợp chất” được hình thành - hạt nhân A+1 ở trạng thái kích thích. Năng lượng dư thừa bằng năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân A+1 (5–8 MeV) có thể được giải phóng dưới dạng lượng tử γ. Những phản ứng như vậy được gọi là chụp bức xạ
neutron. Chúng có thể được trình bày dưới dạng tổng quát như
Trong đó B là hạt nhân ban đầu, C* và C lần lượt là hạt nhân sản phẩm ở trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản.
Hai phương pháp chính được sử dụng để thu được chùm hạt nhân phóng xạ. Hai phương pháp này bổ sung cho nhau và có thể được sử dụng tùy thuộc vào vấn đề vật lý cụ thể.
So sánh giữa phương pháp ISOL và IN-FLIGHT được hiển thị trong Hình 2. 1.7.
Cơm. 1.7. So sánh các phương pháp thu và tách dầm phụ
ISOL và TRONG CHUYẾN BAY.
Chùm hạt nhân giàu neutron phóng xạ được tạo ra trong phản ứng phân hạch cũng có thể được tạo ra bằng cách sử dụng các nguồn neutron cường độ cao - lò phản ứng hạt nhân - hoặc deuteron gia tốc.
phương pháp ISOL(TÔI sotop S tách biệt ồ N L ine).
Phương pháp này dựa trên sự hình thành các ion vận tốc nhiệt trong môi trường rắn, lỏng hoặc khí; chiết, tách, ion hóa và tăng tốc sau đó tới năng lượng cần thiết cho thí nghiệm.
Là kết quả của việc bắn phá mục tiêu dày bằng chùm tia gia tốc (Mục tiêu sản xuất dày), các hạt nhân phóng xạ được hình thành trong đó với phạm vi rộng Z và A, vẫn còn trong vật liệu mục tiêu. Các hạt nhân kết quả sau đó được loại bỏ khỏi mục tiêu. Sau khi được tách ra khỏi mục tiêu, các ion được tách ra bằng máy tách khối (Bộ tách đồng vị) và có thể được sử dụng trong các thí nghiệm chính xác ở năng lượng thấp (10–500 keV) hoặc được tăng tốc trong máy gia tốc thứ hai. Do đó, phương pháp ISOL sử dụng hai hệ thống máy gia tốc. Một là để nhận chùm tia sơ cấp (Driver Accelerator) và tạo ra các hạt thứ cấp trong một tấm bia dày, thứ hai (Post Accelerator) là để gia tốc các hạt thứ cấp. Máy gia tốc thứ hai cung cấp năng lượng chùm hạt nhân phóng xạ cần thiết cho nghiên cứu vật lý.
Phương pháp ISOL tạo ra chùm hạt thứ cấp cường độ cao với năng lượng lên tới 25 MeV/nucleon. Thời điểm tách hạt nhân phóng xạ khỏi mục tiêu nơi chúng hình thành và thời gian vận chuyển chúng đến máy gia tốc chùm tia thứ cấp xác định phạm vi thời gian sống của hạt nhân lạ có thể được nghiên cứu bằng phương pháp này.
Phương pháp trên chuyến bay(phương pháp phân mảnh các ion được gia tốc trên mục tiêu)
Phương pháp trong chuyến bay là phương pháp tối ưu để thu được các chùm đồng vị có thời gian tồn tại ngắn thứ cấp với tuổi thọ 100 ns.
Trong phương pháp này, các chùm hạt nhân phóng xạ thu được khi va chạm ngoại vi của hạt tích điện nặng với hạt nhân bia nhẹ và sau đó tách các hạt đó ra khỏi nhau bằng Z Và MỘT sản phẩm phân mảnh. Chùm tia sơ cấp có năng lượng từ 50 MeV/nucleon đến 1 GeV/nucleon. Các mảnh mảnh phóng xạ được hình thành do va chạm chủ yếu bay về phía trước theo hướng hạt rơi với tốc độ ~ 0,9-1,0 tốc độ của hạt rơi. Phương pháp này sử dụng các tấm bia mỏng để tạo ra chùm tia phóng xạ. Đối với các đồng vị tồn tại trong thời gian ngắn, cường độ của chùm tia thứ cấp trong phương pháp Trong chuyến bay có thể vượt quá cường độ của chùm tia thu được bằng phương pháp ISOL.
Máy tách điện từ (Fragment Separator) được sử dụng để tách các đồng vị và cô lập một số đồng vị nhất định. Các chùm hạt ở đầu ra của thiết bị phân tách có thể được sử dụng trực tiếp trong thí nghiệm hoặc sau khi giảm tốc độ trong môi trường khí (Gas Ion-Stopper), chúng có thể được chia thành các chùm riêng biệt dọc theo Au Z và được tăng tốc lại (Post-accelerator) đến tiến hành thí nghiệm với chùm tia phóng xạ gia tốc.
Tiến bộ trong nghiên cứu về phóng xạ phần lớn gắn liền với sự phát triển của các phương pháp thu và ghi lại hạt nhân và bức xạ phóng xạ. Hiện tượng phóng xạ được phát hiện là kết quả của việc tiếp xúc với bức xạ trên tấm ảnh. Việc ghi lại các tia sáng xảy ra khi các hạt α chạm vào một màn phủ kẽm sunfua là cơ sở của máy dò mà G. Geiger và E. Mardsen sử dụng để nghiên cứu sự tán xạ của các hạt α bởi các nguyên tử vàng.
Nội dung thông tin của bất kỳ thí nghiệm nào được xác định bởi khả năng của máy dò được sử dụng trong đó. Lịch sử của vật lý hạt nhân và hạt về bản chất là lịch sử của việc tạo ra các phương pháp mới để phát hiện hạt và cải tiến các phương pháp cũ. Việc tạo ra các phương pháp mới để phát hiện các hạt đã nhiều lần được trao giải thưởng Nobel.
Máy dò phục vụ cả việc ghi lại các hạt và xác định năng lượng, động lượng, quỹ đạo của hạt và các đặc tính khác của chúng. Để ghi lại các hạt, các máy dò thường được sử dụng có độ nhạy tối đa với việc phát hiện một hạt cụ thể và không cảm nhận được nền lớn do các hạt khác tạo ra.
Thông thường, trong các thí nghiệm, cần phải tách biệt các sự kiện “cần thiết” khỏi bối cảnh khổng lồ của các sự kiện “không liên quan”, có thể lớn hơn hàng tỷ lần. Để làm điều này, người ta sử dụng nhiều sự kết hợp khác nhau của bộ đếm và phương pháp đăng ký, sơ đồ trùng khớp hoặc phản trùng hợp được sử dụng giữa các sự kiện được ghi lại bởi các máy dò khác nhau, lựa chọn các sự kiện dựa trên biên độ và hình dạng của tín hiệu, v.v. thời gian bay của một khoảng cách nhất định giữa các máy dò, phân tích từ tính và các phương pháp khác cho phép bạn cách ly các hạt khác nhau một cách đáng tin cậy.
Một trong những nguyên tắc đăng ký hạt như sau. Một hạt tích điện, chuyển động trong môi trường dò trung tính (khí, lỏng, rắn, vô định hình hoặc tinh thể), gây ra sự ion hóa và kích thích các nguyên tử của môi trường do tương tác điện từ. Do đó, các điện tích tự do (electron và ion) và các nguyên tử bị kích thích xuất hiện dọc theo đường đi của hạt. Nếu môi trường nằm trong điện trường thì trong đó xuất hiện một dòng điện, dòng điện này được ghi dưới dạng xung điện ngắn. Máy dò sử dụng nguyên tắc này được gọi là sự ion hóa.
Khi các nguyên tử bị kích thích trở về trạng thái cơ bản, các photon được phát ra, chúng có thể được phát hiện dưới dạng tia sáng quang học trong vùng khả kiến hoặc vùng tử ngoại. Nguyên tắc này được sử dụng trong máy dò nhấp nháy
.
Trong những điều kiện nhất định, quỹ đạo của một hạt tích điện đang bay có thể được nhìn thấy. Phương pháp này được thực hiện trong cái gọi là máy dò theo dõi
.
Lượng tử gamma cũng được phát hiện bởi các hạt tích điện thứ cấp - electron và positron, phát sinh trong môi trường do hiệu ứng quang điện, hiệu ứng Compton và tạo ra các cặp electron-positron.
Neutrino sinh ra từ phản ứng, do tiết diện tương tác cực nhỏ với môi trường (≈ 10 -20 Barn), trong hầu hết các trường hợp hoàn toàn không được máy dò ghi nhận. Tuy nhiên, thực tế về sự xuất hiện của nó có thể được thiết lập. Thực tế là một neutrino thoát khỏi sự quan sát trực tiếp sẽ mang theo nó một năng lượng, động lượng, spin và điện tích lepton nhất định. Sự thiếu hụt được phát hiện bằng cách ghi lại tất cả các hạt khác và sử dụng các định luật bảo toàn năng lượng, động lượng, mô men động lượng, điện tích, điện tích lepton, v.v. Một phân tích như vậy không chỉ giúp đảm bảo rằng một neutrino đã thực sự được hình thành mà còn có thể cũng để thiết lập năng lượng và hướng khởi hành của nó từ điểm phản ứng.
Máy dò “không có thời gian” để phát hiện hạt nhân nguyên tử đang phân hủy nhanh chóng. Trong trường hợp này, chúng được đăng ký bởi các sản phẩm phân rã.
Yêu cầu chung đối với thiết bị phát hiện là xác định loại hạt (nhận dạng) và các đặc tính động học của nó (năng lượng, động lượng, v.v.). Thông thường loại hạt được biết trước và nhiệm vụ quan sát nó được đơn giản hóa. Nhiều thí nghiệm sử dụng các hệ thống phức tạp bao gồm một số lượng lớn các máy dò thuộc nhiều loại khác nhau. Những phức hợp như vậy, ghi lại hầu hết tất cả các hạt phát sinh do sự tương tác, cung cấp một bức tranh khá đầy đủ về hiện tượng đang được nghiên cứu.
Các đặc điểm chính của máy dò là:
Mọi hạt nhân phóng xạ đều có thể phân rã bất cứ lúc nào. Mô hình phân rã của hạt nhân nguyên tử chỉ được quan sát ở mức trung bình, trong trường hợp phân rã một số lượng hạt nhân phóng xạ đủ lớn.
Nếu một nguồn phóng xạ chứa N hạt nhân phóng xạ và số lượng của chúng thực tế không thay đổi trong thời gian đo thì xác suất ω(n) để n hạt nhân phóng xạ phân rã trong thời gian t được mô tả bằng phân bố Poisson.
Giá trị Nλt đặc trưng cho số hạt phân rã trung bình trong thời gian t và biểu thị số lần đếm trung bình thu được trong trường hợp các phép đo lặp lại với cùng thời gian đo t
Sử dụng số lượng , phân phối Poisson có thể được viết lại thành
