Atominės fizikos dėsniai. Atominė ir branduolinė fizika

· Rentgeno spindulių spektrinė analizė · Radiospektroskopija ·

Atominė fizika – fizikos šaka, tirianti atomų sandarą ir savybes. Atominė fizika atsirado m pabaigos XIX- XX amžiaus pradžia dėl eksperimentų, kurie nustatė, kad atomas yra teigiamai įkrauto branduolio ir neigiamai įkrautų elektronų sistema, ir buvo sukurtas kartu su kvantinės mechanikos, paaiškinančios atomo struktūrą, sukūrimu. Atomo branduolio sandara tiriama branduolio fizikoje.

Bendra informacija [ | ]

Šiuolaikinė atomų fizika remiasi kvantine mechanine teorija, kuri aprašo fiziniai reiškiniai atominiu-molekuliniu lygmeniu. Atominė fizika atomą laiko teigiamai įkrauto branduolio ir neigiamai įkrautų elektronų sistema. Šios sistemos ir joje vykstančių elementarių procesų savybes lemia elektromagnetinė sąveika, priešingai nei branduolių fizikos ir dalelių fizikos, kur stipri sąveika ir silpnoji sąveika atlieka esminį vaidmenį.

Istorija [ | ]

Atomo planetinis modelis

Idėja apie mažiausio egzistavimą nedalomos dalelės- atomai, pirmą kartą suformulavo senovės graikų filosofai Leukipas, Demokritas ir Epikūras. XVII amžiuje ši mintis buvo tęsiama prancūzų filosofų P. Gassendi ir R. Descartes bei anglų chemiko R. Boyle'o darbuose. Šio laikotarpio atomizmas buvo gana spekuliatyvaus pobūdžio, idėjos apie atomus buvo nuolatinės, nedalomos dalelės, įvairių dydžių ir formų, neturinčios cheminių ir fizinių savybių, iš kurių susijungimo susideda viskas. materialūs kūnai. I. Niutono ir M. V. Lomonosovo darbuose buvo daromos prielaidos apie galimybę atomus sujungti į daugiau. sudėtingos struktūros- kraujo kūneliai.

Pagrindiniai etapai atominės fizikos istorijoje buvo anglų fiziko J. J. Thomsono 1897 m. atradęs elektroną ir radioaktyvusis skilimas Prancūzų mokslininkai M. Sklodowska-Curie ir P. Curie, pagal olandų fiziko H. Lorentzo teoriją, pakeitė atomo kaip sąveikaujančių įkrautų dalelių sistemos idėją. Remdamasis šiais tyrimais, 1903 m. Thomsonas pasiūlė atomo modelį, turintį teigiamą krūvį sferą, susimaišiusią su mažomis dalelėmis. neigiamas krūvis- elektronai, laikomi atome dėl teigiamo krūvio traukos jėgos lygybės abipusio elektronų atstūmimo jėgoms. F. Soddy atlikus tolesnius radioaktyvumo tyrimus buvo atrasti izotopai, taip sunaikinami mokslinės idėjos apie vieno cheminio elemento visų atomų absoliučią tapatybę. Svarbus vaidmuo Tam įtakos turėjo ir A. G. Stoletovo fotoelektrinio efekto tyrimas bei tolesnis A. Einšteino šio reiškinio paaiškinimas.

Planetinis atomo modelis turėjo nemažai trūkumų, iš kurių reikšmingiausias buvo susijęs su teoriškai teisingu elektrono energijos praradimu: kadangi elektronas sukasi aplink atomą, jį veikia įcentrinis pagreitis, o pagal Larmor. formulė, bet kuri įkrauta dalelė, judanti su pagreičiu, skleidžia energiją. Jei elektronas praranda energiją, jis galiausiai turėtų patekti į branduolį, o tai iš tikrųjų neįvyksta. Atominio modelio tobulinimas tapo įmanomas tik iš visiškai naujų idėjų apie atomą, kurias atrado vokiečių fizikas.

ATOMO FIZIKA – fizikos šaka, tirianti atomų sandarą ir savybes bei su jais susijusius elementarius procesus. Atomas yra elektriškai įkrautų dalelių sistema, todėl jo struktūrą ir savybes daugiausia lemia elektromagnetinė sąveika tarp dalelių, veikiančių 10–8 cm atstumu, kurių energija yra 1 eV.

Pirmosios idėjos apie atomų, kaip mažiausių nedalomų ir nekintamų materijos dalelių, egzistavimą buvo išreikštos V–III a. pr. Senovės Graikija(Demokritas, Epikūras ir kt.). XVII–XVIII a., formuojantis tiksliajam gamtos mokslui, atomistines idėjas plėtojo I. Kepleris, P. Gassendi, R. Dekartas, R. Boginas, I. Niutonas, M. V. Lomonosovas ir kt XVIII amžiaus pabaigoje ir XIX amžiaus pradžioje eksperimentiniai tyrimai paskatino sukurti pirmąsias atomistines teorijas. Remiantis kiekybine cheminiai dėsniai ir įstatymus idealios dujos pradžioje pradėjo vystytis cheminis atomizmas (J. Daltonas, A. Avogadro, I. Berzelius), o iki XIX amžiaus vidurio buvo išskirtos atomo ir molekulės sąvokos (S. Cannizzaro). 1869 metais D. I. Mendelejevas atrado periodinį dėsnį ir sukūrė periodinę sistemą cheminiai elementai, turintis savo vardą. Atominės koncepcijos sudarė visų pirma molekulinės fizikos pagrindą kinetinė teorija dujos (XIX a. vidurys), statistinė fizika (R. Clausius, J. C. Maxwell, L. Boltzmann, J. W. Gibbs). Kartu doktrina apie vidų atominė struktūra kristalai ir jų simetrija (R. Gayuy, O. Brave, E.S. Fedorov, vokiečių kristalografas A. Schönfliesas).

XX amžiaus pradžioje prieš šiuolaikinės atominės fizikos konstravimą buvo elektrono (1897, J. J. Thomson) ir radioaktyvumo (1895, A. Becquerel) atradimai, kurie paneigė požiūrį, kad atomas yra nedalomas. Svarbiausias įvykis atominėje fizikoje E. Rutherfordas 1911 m. atrado atomo branduolį, kurio matmenys yra maži, palyginti su atomu ir kuriame yra didžiausias ir teigiamas atomo krūvis. Rutherfordas pasiūlė vadinamąjį planetinį atomo modelį: šviesos neigiamo krūvio elektronai juda orbitomis aplink teigiamai įkrautą masyvų branduolį. Tačiau pagal įstatymus klasikinė elektrodinamika toks atomas būtų nestabilus, nes elektronai nuolat skleistų elektromagnetinę energiją ir per sekundės dalį nukristų į branduolį. 1913 metais N. Bohras sukūrė stabilaus atomo teoriją, remdamasis kvantiniais postulatais, kuriuos jis empiriškai pristatė (Boro postulatai).

1) atomas gali egzistuoti tik diskrečiose nejudančiose būsenose, kurioms būdingi tam tikri vidines energijas, ir, būdamas šiose būsenose (tam tikrame energijos lygyje), atomas yra stabilus ir neskleidžia elektromagnetinės energijos;

2) perėjimai tarp stacionarių būsenų vyksta staigiai (t.y. jo energija kinta ne nuolat, o staigiai); tokio perėjimo (kvantinės perėjimo) metu atomas sugeria arba išspinduliuoja tam tikrą elektromagnetinės energijos dalį – energijos kvantą E = hv ik, kur h Planko konstanta, o v ik vadinamasis kvantinio perėjimo dažnis, nulemtas energijų. stacionarių būsenų i ir k, tarp kurių vyksta perėjimas .

N. Bohro atomo teorija leido paaiškinti ne tik atomo stabilumą, bet ir atomo spektrų tiesiškumą, stebimus optinių ir rentgeno spektrų raštus, taip pat periodinė teisė Mendelejevas. Norint nustatyti galimą diskrečiųjų vertybių vandenilio atomo energija, Bohr pasiūlė, kad labai mažo v atveju kvantiniai ir klasikiniai rezultatai turėtų sutapti (vadinamasis atitikimo principas), ir pritaikė klasikinius elektrodinamikos dėsnius elektrono judėjimui aprašyti ir jo energijai apskaičiuoti. Tačiau pasirodė, kad Bohro teorija nepritaikoma helio atomui ir sudėtingesniems atomams.

1923 metais L. de Broglie iškėlė bangų ir dalelių dvilypumo hipotezę: visos materijos dalelės turi savybių, tiek dalelės, tiek dalelės. bangų savybės, kiekvienai medžiagos dalelei galima priskirti tam tikrą bangos ilgį. De Broglie idėja leido paaiškinti nejudančių atomo būsenų egzistavimą: galimos tik tokios, kuriose elektrono bangos ilgis jo orbitoje telpa sveikuoju skaičiumi kartų. Taigi elektronas tam tikroje būsenoje yra panašus į stovinčią bangą, kurios ilgis λ, kuri lemia jo energiją E = hc/λ (kur c – šviesos greitis) ir impulsą ρ = h/λ. De Broglie idėjos plėtra paskatino sukurti kvantinė mechanika(W. Heisenberg, M. Born, E. Schrödinger), kurių pagrindu buvo sukurta nuosekli atomo teorija. Pagal šią teoriją aprašoma kiekviena stacionari atomo būsena bangos funkcija, kuris yra Šriodingerio lygties sprendimas. Elektronų judėjimo tam tikromis orbitomis idėja pasirodė neteisinga, nes vienu metu neįmanoma tiksliai nurodyti elektrono koordinačių tam tikrame erdvės taške ir jo impulso vertės (neapibrėžtumo santykis, kurį įvedė W. Heisenbergas 1927 m.). Galime kalbėti tik apie elektronų tankio pasiskirstymą arba tikimybę rasti elektroną šiuo metu laikas tam tikrame erdvės taške, kurį lemia jo banginė funkcija.

1925 m. į teoriją buvo įtrauktas naujas fizikinis dydis (J. Uhlenbeck ir S. Goudsmit) - elektrono sukinys - jo paties mechaninis momentas, su kuriuo siejamas paties elektrono magnetinis momentas. Paaiškėjo, kad kitos atominės dalelės ir visas atomas turi sukimąsi. Atsižvelgiant į sukimąsi, buvo galima paaiškinti energijos lygių padalijimą ir spektrines linijas atomą elektriniuose ir magnetiniuose laukuose (Zemano efektas ir Starko efektas), suprasti elektronų išsidėstymo tvarką įvairių cheminių elementų atomuose (žr. Pauli principą, Profesijos skaičiai).

Kvantinė mechanika paaiškino kovalento susidarymą cheminis ryšys(1927, W. Heitler, F. London), atomų ryšį kristaluose, intrakristalinio lauko įtaką jiems (1929, H. Bethe), tarpatomines sąveikas ir kt.

4 dešimtmetyje paaiškėjo, kad atomo branduolyje tarp į jį patenkančių dalelių veikia ne elektromagnetinė sąveika, o naujo tipo sąveika - stipri sąveika. Atomo branduolio fizika tapo savarankiška sritimi – branduolio fizika. 1940–50-aisiais susiformavo dalelių fizika ir plazmos fizika. Šiuolaikinė atominė fizika apima teoriją ir eksperimentiniai metodai optinio, rentgeno ir radijo diapazonų atomų spektrų tyrimai. Tai leidžia gauti tikslias stacionarių būsenų energijų, kampinio momento ir kitų atomų charakteristikų vertes, tirti jų sužadinimo, susidūrimo ir vidinius procesus. Šie duomenys reikalingi kuriant įvairių tipų lazeriai, skirti plazmos fizikai, sprendžiant astrofizines ir kosmologines problemas, tiriant elektrines, magnetines ir kitas materijos savybes. Spektrinių linijų išplėtimas ir poslinkis leidžia spręsti apie šiuos pokyčius sukėlusius vietinius kondensuotos medžiagos laukus, terpės temperatūrą ir tankį bei išmatuoti aukšto slėgio ir tt Elektronų tankio pasiskirstymas kondensuotoje medžiagoje, kuris nustatomas, pavyzdžiui, rentgeno struktūrinės analizės metodais, leidžia nustatyti tarpatominių ryšių pobūdį.

Norint nustatyti tikslios vertės atominės charakteristikos būtina pašalinti poveikį atomui aplinką ir „sustabdyti“, nes atomų judėjimas iškraipo jų spektrus (pavyzdžiui, sukelia spektro linijų Doplerio išplėtimą). „Šaltų“ (sustabdytų) atomų tyrimo metodų sukūrimas leidžia gauti atomų spektrus, kurių spektrinės linijos plotis yra artimas natūraliems. Svarbus pasiekimas mokslas turėjo gauti tikrą atskirų atomų vaizdą naudojant skenavimą tunelinis mikroskopas ir atominės jėgos mikroskopas.

Literatūrą žiūrėkite straipsnyje „Atom“.

V.I. Balykinas. M. A. Eliaševičius.

> Branduolinės ir branduolinė fizika

Atominė ir branduolinė fizika

• Abraomas A. Branduolinis magnetizmas. M.: IL, 1963 (djvu)
• Abrahamas A., Bleaney B. Pereinamųjų jonų elektroninis paramagnetinis rezonansas. 1 tomas. M.: Mir, 1972 (djvu)
• Abrahamas A., Bleaney B. Pereinamųjų jonų elektroninis paramagnetinis rezonansas. 2 tomas. M.: Mir, 1973 (djvu)
• Adler S., Dashen R. Dabartinės algebros ir jų taikymas dalelių fizikoje. M.: Mir, 1970 (djvu)
• Akhiezer A.I., Rekalo M.P. Elementariųjų dalelių biografija. Kijevas: Naukas. Dumka, 1979 (djvu)
• Akhiezer A., ​​Pomeranchuk I. Kai kurie branduolinės teorijos klausimai (2 leidimas) M.-L.: GITTL, 1950 (djvu)
• Bayeris V.N., Katkovas V.M., Fadinas V.S. Radiacija reliatyvistiniai elektronai. M.: Atomizdat, 1973 (djvu)
• Baldin A.M., Goldansky V.I., Rosenthal I.L. Branduolinių reakcijų kinematika. M.: GIFML, 1959 (djvu)
• Bartonas G. Dispersijos metodai lauko teorijoje. M.: Atomizdat, 1968 (djvu)
• Beizeris A. Pagrindinės šiuolaikinės fizikos sampratos. M.: Atomizdat, 1973 (djvu)
• Bernsteinas J. Elementariosios dalelės ir jų srovės. M.: Mir, 1970 (djvu)
• Bethe G., Schweber S., Hoffmann F. Mezonai ir laukai. Apimtis 1. Laukai. M.: Į. lit., 1957 (djvu)
• Bethe G., Hoffmann F. Mezonai ir laukai. Tomas 2. Mezonai. M.: Į. lit., 1957 (djvu)
• Bethe G., Morrisonas F. Elementarioji teorija branduoliai. M.: Į. lit., 1958 (djvu)
• Bilenky S.M. Feynmano diagramos technikos įvadas. M.: Atomizdat, 1971 (djvu)
• Boras N. Pasirinktas mokslo darbai. I tomas. Straipsniai 1909-1925 m. M.: Nauka, 1970 (djvu)
• Bor N. Rinktiniai mokslo darbai. II tomas. 1925 -1961 straipsniai. M.: Nauka, 1971 (djvu)
• Bor N. Perėjimas atominės dalelės per materiją. M.: IL, 1950 (djvu)
• Borgmanas I.I. (red.) Naujos fizikos idėjos. t. 1. Materijos sandara. Sankt Peterburgas: Švietimas, 1911 (djvu)
• Gimė M. Atominės mechanikos paskaitos. Charkovas-Kijevas: NTIU, 1934 (djvu)
• Gimė M. Atominė fizika. M.: Mir, 1965 (djvu)
• Brownas JE, Džeksonas AD. Nukleono ir nukleono sąveika. M.: Atomizdat, 1979 (djvu)
• Bückling E., Kayanti K. Elementariųjų dalelių kinematika. M.: Mir, 1975 (djvu)
• Vaitman A.S. Kvantuotų laukų reliatyvistinės dinamikos problemos. M.: Nauka, 1967 (djvu)
• Vasiljevas A.N. Funkciniai metodai V kvantinė teorija sritys ir statistika. L.: Leidykla Leningr. Universitetas, 1976 (djvu)
• Ventzel G. Įvadas į bangų laukų kvantinę teoriją. M.: Gostekhizdat, 1947 (djvu)
• Wilson J. Wilson kamera. M.: IL, 1954 (djvu)
• Volkovas M.K., Pervušinas V.N. Iš esmės netiesinės kvantinės teorijos, dinaminės simetrijos ir mezono fizika. M.: Atomizdat, 1978 (djvu)
• Heitleris V. Kvantinė spinduliuotės teorija. M.: IL, 1956 (djvu)
• Heisenbergas V. Įvadas į vieningą elementariųjų dalelių lauko teoriją. M.: Mir, 1968 (djvu)
• Gorbunova O.I., Zaiceva A.M., Krasnikovas S.N. Bendrosios fizikos problemų knyga-seminaras. Optika. Atominė fizika. M.: Išsilavinimas, 1977 (djvu)
• Grib A.A. Vakuuminio nekintamumo problema kvantinio lauko teorijoje. M.: Atomizdat, 1978 (djvu)
• Davydovas A.S. Atomo branduolio teorija. M.: Fizmatgiz, 1958 (djvu)
• De Alfaro B., Fubini C., Furlan G., Rosetti C. Srovės hadronų fizikoje. M.: Mir, 1976 (djvu)
• Detlafas A.A., Yavorsky B.M. Fizikos kursas. 3 tomas. Bangų procesai. Optika. Atominė ir branduolinė fizika (3-asis leidimas). M.: absolventų mokykla, 1979 (djvu)
• Jeffries K. Dinaminė branduolių orientacija. M.: Mir, 1965 (djvu)
• Zismanas G.A., Todesas O.M. Bendrosios fizikos kursas. 3 tomas. Optika, atomų ir molekulių fizika, atomo branduolio ir mikrodalelių fizika (4 leidimas). M.: Nauka, 1970 (djvu)
• Ivanenko D., Sokolov A. Klasikinė lauko teorija (2 leidimas) M.-L.: GITTL, 1951 (djvu)
• Ivanenko D. Elementariosios dalelės ir kompensaciniai laukai. Straipsnių rinkinys. M.: Mir, 1964 (djvu)
• Kamal A. Elementariųjų dalelių fizikos problemos. M.: Nauka, 1968 (djvu)
• Kokkede Ya Kvarkų teorija. M.: Mir, 1971 (djvu)
• Collins P. Regge teorijos ir fizikos įvadas didelės energijos. M.: Atomizdat, 1980 (djvu)
• Collins P., Squires Y. Regge poliai dalelių fizikoje. M.: Mir, 1971 (djvu)
• Li C., Wu C. Silpnos sąveikos. M.: Mir, 1968 (djvu)
• Lomsadze Yu.M. Grupės teorinis įvadas į elementariųjų dalelių teoriją. M.: Aukščiau. mokykla, 1962 (djvu)
• Lorentz G.A. Elektronų teorija ir jos taikymas šviesos reiškiniams ir šiluminė spinduliuotė(2 leidimas). M.: GITTL, 1953 (djvu)
• Loudonas R. Kvantinė šviesos teorija. M.: Mir, 1976 (djvu)
• Markovas M.A. Hyperons K-mezonai. M.: GIFML, 1958 (djvu)
• Marshak R., Sudershan E. Įvadas į elementariųjų dalelių fiziką. M.: IL, 1962 (djvu)
• Matvejevas A.N. Kvantinė mechanika ir atomo sandara. M.: Aukščiau. mokykla, 1965 (djvu)
• Mensky M.B. Indukuotų reprezentacijų metodas: erdvė-laikas ir dalelių samprata. M.: Nauka, 1976 (djvu)
• Migdal A.B. Fermionai ir bozonai stiprūs laukai. M.: Nauka, 1978 (djvu)
• Minlos R.A. (red.) Matematika. Naujiena užsienio moksle-12. Euklido kvantinio lauko teorija. Markovo požiūris. Straipsnių rinkinys. M.: Mir, 1978 (djvu)
• Mott N., Messi G. Atominių susidūrimų teorija. M.: IL, 1951 (djvu)
• Mošinskis M. Harmoninis osciliatorius V šiuolaikinė fizika: nuo atomų iki kvarkų. M.: Mir, 1972 (djvu)
• Matthewsas P. Reliatyvistinė elementariųjų dalelių sąveikos kvantinė teorija. M.: IL, 1959 (djvu)
• Nguyen Van Hieu paskaitos apie vienetinės elementariųjų dalelių simetrijos teoriją. M.: Atomizdat, 1967 (djvu)
• Nelipa N.F. Įvadas į stipriai sąveikaujančių elementariųjų dalelių teoriją. M.: Atomizdat, 1970 (djvu)
• Nishijima K. Fundamentaliosios dalelės. M.: Mir, 1965 (djvu)
• Novožilovas Yu.V. Įvadas į elementariųjų dalelių teoriją. M.: Nauka, 1972 (djvu)
• Newton R. Bangų ir dalelių sklaidos teorija. M.: Mir, 1969 (djvu)
• Okun B. Silpna sąveika elementariosios dalelės. M.: Fizmatgiz, 1963 (djvu)
• Ochelkov Yu.P., Prilutsky O.F., Rosenthal I.L., Usov V.V. Reliatyvistinė kinetika ir hidrodinamika. M.: Atomizdat, 1979 (djvu)
• Pauli V. Reliatyvistinės elementariųjų dalelių lauko teorijos. M.: 1947 (djvu)
• Petrina D.Ya., Ivanovas S.S., Rebenko A.L. Sklaidos matricų koeficientų funkcijų lygtys. M.: Nauka, 1979 (djvu)
• Paulius R.V. Optika ir atominė fizika. M.: Nauka, 1966 (djvu)
• Popovas V.N. Kelio integralai kvantinio lauko teorijoje ir statistinė fizika. M.: Atomizdat, 1976 (djvu)
• Putilov K.A., Fabrikant V.A. Fizikos kursas. Apimtis 3. Optika. Atominė fizika. Branduolinė fizika (2-asis leidimas). M.: GIFML, 1963 (djvu)
• Rakobolskaya I.V. Branduolinė fizika. M.: Maskvos valstybinio universiteto leidykla, 1971 (djvu)
• Romantsovas Yu.A. Reliatyvistinių dalelių dinamikos tyrimas paskirstytos sąveikos rezonansinių sistemų srityje. Preprint Nr. 47. Charkovas: RI AN Ukrainos SSR, 1990 (djvu)
• Rumer Yu.B., Fet A.I. Grupių teorija ir kvantuoti laukai. M.: Nauka, 1977 (djvu)
• Saveljevas I.V. Bendrosios fizikos kursas. Tomas Z. Optika. Atominė fizika. M.: Nauka, 1971 (djvu)
• Sakurai J. Srovės ir mezonai. M.: Atomizdat, 1972 (djvu)
• Sinanoglu O. Daugiaelektroninė atomų, molekulių ir jų sąveikos teorija. M.: Mir, 1966 (djvu)
• Sobelmanas I.I. Įvadas į atomų spektrų teoriją. M.: GIFML, 1963 (djvu)
• Sokolovas A.A. Elementariosios dalelės (Išplėstinė vieša paskaita, skaityta Maskvos valstybinio universiteto paskaitų salėje 1962 m. sausio 10 d.) M.: Maskvos valstybinis universitetas, 1963 (djvu)
• Sokolovas A.A., Ternovas I.M. Kvantinė mechanika ir atomų fizika. M.: Išsilavinimas, 1970 m

2 1. Įvadas 1.1. Atominės fizikos dalykas, trumpa jo raidos istorija, tikslai ir uždaviniai 1.2. Pagrindiniai apibrėžimai. Elektronas, protonas, neutronas, atomas, jonas, molekulė, nuklidas, atomo branduolys, cheminis elementas, izotopai 1.3. Atomo branduolinės ir apvalkalo savybės 1.4. Fizinių dydžių matavimo vienetai atomų fizikoje. Elektronų voltų. Molis, Avogadro konstanta, atominės masės vienetas, santykinis atominė masė. Energijų, ilgių, dažnių, masių skalės atominėje ir branduolinėje fizikoje 1.5. Klasikinės, reliatyvistinės ir kvantinė fizika. Impulsas ir energija 1.6. Fotonas. Fotonų energijos skalė (elektromagnetinės spinduliuotės skalė)

3 Atominė fizika Atominė fizika (atomo ir atominių reiškinių fizika) yra fizikos šaka, tirianti atomų sandarą ir savybes, taip pat elementarius procesus, kuriuose dalyvauja atomai Atominės fizikos tyrimo objektai yra ir atomai, ir molekulės, atominiai ir molekuliniai jonai, egzotiniai atomai ir kitos mikrodalelės Atominės fizikos rėmuose tiriamuose reiškiniuose pagrindinis vaidmuo tenka elektromagnetinėms sąveikoms , optiniai ir tuneliniai reiškiniai, procesai plazmoje, neutralūs skysčiai, kietosios medžiagos ah (įskaitant puslaidininkius ir nanomedžiagas) Teorinis pagrindas pati atominė fizika yra kvantinė teorija ir kvantinė elektrodinamika Nėra aiškios ribos tarp atominės fizikos ir kitų fizikos šakų, ir pagal tarptautinė klasifikacija, atominė fizika yra įtraukta į atominės, molekulinės fizikos ir optikos sritį

4 Trumpa istorija Atominės fizikos raida Sąvoką „atomas“ vartojo senovės graikų mokslininkai (V – II a. pr. Kr.), kad apibūdintų mažiausias, nedalomas daleles, kurios sudaro viską, kas egzistuoja pasaulyje amžiaus cheminiuose ir fizikiniuose tyrimuose, buvo pagrįstas 1897 m., J.J. Tomsonas atrado elektroną ir netrukus įrodė, kad taip yra neatskiriama dalis visų atomų Atomo, kaip sistemos, susidedančios iš atomo branduolio ir elektronų apvalkalo, idėją 1911 m. pagrindė E. Rutherfordas. Po to, kai ši idėja tapo visuotinai priimta, iš branduolinės fizikos, o kiek vėliau ir elementariųjų dalelių fizikos atsirado. atominė fizika

5 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Šiuolaikinės atominės fizikos pagrindai buvo padėti XX amžiaus pradžioje, kai remiantis E. Rutherfordo atomo modeliu ir M. Plancko (1900 m.) kvantinių sampratų raida. ) ir A. Einšteinas (1905), N. Bohr pateikė paaiškinimų eilutę svarbiausias savybes atomas (1913) ir du „kvantiniai“ postulatai pagal pirmąjį iš jų yra specialios (stacionarios) atomo būsenos, kuriose pastarasis neišskiria energijos, nors į jo sudėtį įeina įkrautos dalelės (elektronai). Pagal antrąjį postulatą, atomo spinduliavimas vyksta pereinant iš vienos stacionarios būsenos į kitą, o šios spinduliuotės dažnis ν nustatomas iš sąlygos h = E – E (Boro dažnio taisyklė). kur h yra Planko konstanta, E ir E yra atominės energijos vertės pradinėje ir galutinėje būsenose. Pirmasis postulatas atspindi atomo stabilumo faktą, antrasis dažnio diskretiškumas atomų spektrai

6 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Bohro teorija, kuri negalėjo visapusiškai paaiškinti atomų ir molekulių savybių, buvo pakeista nuoseklia kvantine teorija, sukurta XX a. , P. Dirac) Nepaisant to, Bohro postulatai vis dar išlaiko savo reikšmę ir yra neatsiejami nuo mikroskopinių reiškinių fizikos pagrindų Šiuolaikinės kvantinės teorijos rėmuose – maksimaliai pilnas paaiškinimas atomo savybės: gauti optinių ir rentgeno spindulių spektrų susidarymo principai, atomų elgsena magnetiniame (Zemano efektas) ir elektriniame (Starko efektas) laukuose. teorinis pagrindas periodinė elementų sistema ir cheminių ryšių prigimtis, sukurti metodai atomų, molekulių ir kietųjų kūnų elektroninei struktūrai apskaičiuoti (Hartree-Fock savaiminio nuoseklaus lauko metodas), sukurti nauji prietaisai medžiagos (elektronų) struktūrai ir savybėms tirti. mikroskopas) Kvantinės teorijos idėjų plėtra (sukimosi hipotezė, Paulio principas ir kt.), savo ruožtu rėmėsi eksperimentiniais tyrimais atominės fizikos srityje ( linijų spektrai atomai, fotoelektrinis efektas, smulkioji ir hipersmulki spektrinių linijų struktūra, Franko ir Hertzo, Davissono ir Germerio, Sterno ir Gerlacho eksperimentai, Komptono efektas, deuterio ir kitų izotopų atradimas, Augerio efektas ir kt.)

7 Trumpa atominės fizikos raidos istorija XX amžiaus antrajame trečdalyje atominės fizikos rėmuose ir remiantis kvantinės teorijos idėjomis buvo sukurti nauji eksperimentiniai metodai. fiziniai tyrimai: elektronų paramagnetinis rezonansas (EPR), fotoelektroninė spektroskopija (PES), elektronų smūginė spektroskopija (EI), sukurti prietaisai jiems įgyvendinti (mazeris, lazeris ir kt.) Kvantinės teorijos pagrindiniai principai gavo tiesioginį eksperimentinį patvirtinimą (trukdo kvantinės būsenos, lygių poslinkis ir kt.), buvo pasiūlyti nauji medžiagos elektroninės struktūros skaičiavimo metodai (tankio funkcinė teorija), numatyti nauji fizikiniai reiškiniai (superspinduliavimas, sukurti eksperimentiniams procesų, vykstančių su atskirais atomais, tyrimams). jonų ir elektronų, laikomų elektros ir magnetiniai laukai speciali konfigūracija (atominiai ir joniniai „spąstai“)

8 Trumpa atominės fizikos raidos istorija Nauji rezultatai atominės fizikos srityje paskutiniame XX amžiaus trečdalyje - pradžios XXIšimtmečiai daugiausia siejami su lazerių naudojimu Mokslinėje praktikoje plačiai naudojami lazerinės spektroskopijos metodai, tarp jų ir netiesiniai, kurių pagrindu tapo įmanoma atlikti spektroskopinius matavimus su pavieniais atomais ir molekulėmis, nustatyti charakteristikas labai. sužadintas atomų būsenas, tirti iki kelių femtosekundžių (10–15 s) trunkančių intraatominių ir intramolekulinių procesų dinamiką Lazerių pagalba buvo galima atlikti ir detaliai ištirti daugiafotoninius spinduliuotės sąveikos procesus su atominės sistemos (daugiafotonų fotoelektrinis efektas, dažnių dauginimas), taip pat atskirų atomų aušinimas iki itin žemos temperatūros Teoriniai tyrimai paskutiniais dešimtmečiais atominės fizikos srityje siejami su greita pažanga kompiuterinės technologijos ir yra skirti sukurti efektyvius metodus ir priemones daugiaelektroninių atominių sistemų elektroninei struktūrai ir savybėms apskaičiuoti, atsižvelgiant į elektronų koreliacijos energiją, reliatyvistines kvantines mechanines ir kvantines elektrodinamines korekcijas.

9 Atominė fizika Atominės fizikos srities tyrimais nustatyta daug mokslinių ir praktiniai pritaikymai Pramoniniais tikslais cheminės medžiagos elementinei sudėčiai nustatyti naudojami atominiai metodai. spektrinė analizė, įskaitant EPR, FES ir SEM Geologinėms, biologinėms ir medicininėms problemoms spręsti naudojami nuotoliniai ir vietiniai lazeriniai spektriniai metodai atominė analizė, pramonėje ir techniniais tikslais lazerinis izotopų atskyrimas atliekamas Eksperimentinis ir teoriniai metodai Atominė fizika naudojama astrofizikoje (nustatant sudėtį ir fizines savybesžvaigždžių materija ir tarpžvaigždinė terpė, Rydbergo atomų tyrimai), metrologija ( atominis laikrodis) ir kitose mokslo ir technologijų srityse

10 Atominės fizikos kurso tikslai ir uždaviniai Pagrindinis disciplinos „Atomo ir atomo reiškinių fizika“, kaip bendrojo fizikos kurso dalies, tikslas yra suformuoti pagrindinių žinių apie mikroskopinių reiškinių fiziką atominiame-molekuliniame lygmenyje ir gebėjimą juos pritaikyti sprendžiant taikomų problemųŠiam tikslui pasiekti sprendžiami šie uždaviniai: – atomizmo raidos ir kvantinių sąvokų formavimosi analizė; – svarbiausių eksperimentinių atominės fizikos faktų ir jų sąsajų tyrimas; – mikroreiškinių specifikos ir nenuoseklumo nustatymas klasikinė teorija juos paaiškinti; – kvantinės mechanikos pagrindų ir sprendimų metodų studijos kvantinė mechaninė užduotys; – sistemingas kvantine teorija pagrįstas atomų ir molekulių sandaros ir savybių, jų elgsenos tyrimas ir aiškinimas išoriniai laukai ir sąveikaujant tarpusavyje

12 elektronų Elektronų stabilumas elementarioji dalelė su neigiamu elektros krūviu Elektrono krūvio absoliuti vertė lygi elementariajam krūviui q e = –e –1,610 –19 C Elektrono masė m e = m –31 kg Elektrono sukinys yra ½ Elektrono magnetinis momentas yra maždaug lygus dydis iki Boro magnetono μ e –μ B – –4 eV /T Elektronui žymėti naudojamas simbolis e arba e – Elektronai sudaro visų atomų ir jonų elektronų apvalkalus Elektronas turi antidalelę pozitroną (e +)

15 Protonas Protonas yra stabili elementarioji dalelė, turinti teigiamą elektros krūvį Protono krūvis lygus elementariajam krūviui q p = e –19 C Protono masė m p 1836m e –27 kg Protono sukinys yra ½ Protono magnetinis momentas μ p – 8 eV/T Protonas žymimas simboliu p arba p + Protonas turi antidalelių antiprotoną (p –)

16 Antiprotonų anihiliacija Antiprotonas (mėlynas takelis) susiduria su protonu burbulų kamera Dėl to atsiranda keturi teigiami pionai (raudoni takeliai) ir keturi neigiami (žali pėdsakai) Geltonasis takelis priklauso miuonui, kuris gimsta dėl pionų irimo

17 Neutronas Neutronas yra elementarioji dalelė, kurios elektrinis krūvis yra nulinis elektros krūvis, neutronas turi magnetinį momentą μ n – –8 eV/T Neutronas žymimas simboliu n arba n 0 Neutronas turi antidalelę antineutroną Protonai ir neutronai sujungiami bendras vardas nukleonai Atomo branduolius sudaro protonai ir neutronai

18 Neutronai Kadangi neutronai neturi elektrinio krūvio, jie nepalieka pėdsakų dalelių detektoriaus kamerose. Tačiau neutronus galima aptikti pagal jų sąveiką su kitomis, įkrautomis dalelėmis vandenilio dujos, etilo alkoholis ir vanduo Neutronų spindulys prasiskverbia į kamerą iš apačios ir sukelia deguonies ir anglies atomų, sudarančių etilo alkoholio molekules, transmutaciją

19 Atomas Atomo mikrodalelė, susidedanti iš atomo branduolio ir jį supančių elektronų (elektronų apvalkalas) Teigiamai įkrautas branduolys elektrinės traukos jėgomis laiko neigiamai įkrautus elektronus Kadangi atomo branduolys susideda iš protonų ir neutronų, o neutrono elektrinis krūvis yra nulis, protonas lygus elementariniam krūviui e, elektrono krūvis lygus e, tada su elektronų skaičiumi apvalkale, lygus skaičiui protonų branduolyje, bendras atomo elektrinis krūvis lygus nuliui Branduolio matmenys (~ 10 –15 – 10 –14 m) yra itin maži, lyginant su atomo matmenimis (~ 10 –10 m). , dėl to, kad protono (taip pat ir neutrono) masė yra beveik 2 tūkstančius kartų didesnė už elektrono masę () beveik visa atomo masė yra sutelkta branduolyje

20 aukso atomo Au Atskiro aukso atomo vaizdas, gautas naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą, padidintas 35 mm koeficientu iki 35 mm dydžio

22 Silicio atomai Si Spalvotas silicio atomų vaizdas, gautas naudojant transmisijos elektroninį mikroskopą. Rodomas kristalo vienetinis elementas. Taip pat matomi ryšiai tarp atomų, kurių dydis padidėja iki 35 mm.

24 Urano atomai U Spalvotas urano atomų vaizdas, gautas naudojant perdavimo elektroninį mikroskopą Maži taškeliai teisinga forma– atskiri atomai, didesni dariniai – spiečiai, susidedantys iš 2–20 atomų Matymo lauko dydis yra maždaug 100 Å. Padidintas 35 mm koeficientu

25 Uranilo mikrokristalai UO 2 2+ Spalvotas uranilo mikrokristalų vaizdas buvo gautas naudojant transmisijos elektroninį mikroskopą vienas atomas uranas Padidintas 35 mm

27 Cheminis elementas, nuklidas, izotopai Atomai su tam tikras skaičius Z protonai branduolyje priklauso tam pačiam cheminiam elementui. Skaičius Z vadinamas atominis skaičius cheminis elementas. Atomų rinkinys, kurio branduolyje yra tam tikras skaičius protonų Z ir neutronų N, vadinamas nuklidu. Nuklidai žymimi prie elemento pavadinimo pridedant masės skaičių A, lygus sumai Z + N (pvz., deguonis-16, uranas-235), arba šalia elemento simbolio padėjus skaičių A (16 O, 235 U). To paties elemento nuklidai vadinami izotopais. Lengviausio vandenilio atomo, susidedančio iš vieno protono ir vieno elektrono, masė lygi m H 1,67·10 –27 kg. Likusių atomų masės yra maždaug A karto didesnės už m H. Gamtoje randama 90 cheminių elementų ir daugiau nei 300 skirtingų nuklidų; 270 iš jų yra stabilūs, likusieji – radioaktyvūs. Kai kurie radioaktyvieji nuklidai gaunami dirbtinai.

31 Jonai Elektronų pašalinimo arba pridėjimo prie atomo procesas vadinamas jonizacija, kai elektronų skaičius apvalkale yra mažesnis nei Z, gaunamas teigiamas atominis jonas, kai Z yra neigiamas Jonas yra elektriškai įkrautas atomas (arba molekulė), kuris susidaro atsiskyrus arba pridedant vieną ar daugiau elektronų prie neutralaus atomo (arba molekulės)

32 jonai Teigiamo krūvio jonai vadinami katijonais, o neigiamo krūvio anijonai. Jonai žymimi cheminiu simboliu su indeksu, rodančiu daugumą (krūvio kiekį elementariojo krūvio vienetais) ir jono ženklą: H –, Na +, UO 2 2+ Jonai gali būti pavaizduoti kaip tvarūs dariniai(dažniausiai tirpaluose arba kristaluose) ir nestabilus (dujose įprastomis sąlygomis) Atominių katijonų galima gauti iki +(Z – 1) krūvio. Taigi, pavyzdžiui, U 90+ ir U 91+ buvo gauti prie jonų greitintuvų Atominiai anijonai, kurių krūvis yra 2 ar daugiau, laisvoje būsenoje neegzistuoja

34 Molekulė Molekulė yra mažiausia stabili medžiagos dalelė, susidedanti iš daugiau nei vieno atomo Molekulei būdinga tam tikra atomo branduolių sudėtis, elektronų skaičius ir erdvinė struktūra Pažymėti kiekybinius ir kokybiška kompozicija naudojamos molekulės chemines formules: O 2 (deguonies molekulė), H 2 O (vandens molekulė), CH 4 (metano molekulė), C 6 H6 (benzeno molekulė), C 60 (fullereno molekulė)

39 DNR molekulė Spalvotas DNR molekulės vaizdas buvo gautas naudojant perdavimo elektronų mikroskopą kameroje su didelis vakuumas Padengtas DNR mėginys plonu sluoksniu platina Metalinė danga suteikia kontrastingą vaizdą elektroninis mikroskopas

40 Atomo branduolinės ir apvalkalo savybės Branduolinės savybės Apvalkalo savybės Nulemia branduolio sudėtis: radioaktyvumas, gebėjimas dalyvauti branduolinėse reakcijose ir kt.. Nulemia elektroninio apvalkalo sandara: cheminė, fizinė (elektrinė, magnetinė, optinė ir kt. .) 42 Energijos energijos vienetas SI vienetas yra džaulis (J), tačiau atominės fizikos objektų ir reiškinių energijos kiekiams toks vienetas naudojamas retai elektronvoltas (eV, eV) yra energija, su kuria įkrauta dalelė elementarus krūvis, einantis per 1 volto greitėjimo potencialų skirtumą: 1 eV = J Matuoti energijas atominėje ir branduolinėje fizikoje, kartotinius (keV, 1 keV = 10 3 eV, MeV, 1 MeV = 10 6 eV) ir dalinius (μeV, 1) μeV = 10 –6 eV) elektronų voltų vienetai, taip pat kai kurie kiti: Rydberg (Ry), Hartree (hartree, Ha arba atominis vienetas, a.u.) Rydberg skaitiniu būdu lygus energijai vandenilio atomo jonizacija iš pagrindinės būsenos begalinės branduolinės masės aproksimacijos būdu: 1 Ry eV Hartree yra lygi absoliučiajai reikšmei potenciali energija elektronas vandenilio atomo pagrindinėje būsenoje begalinės branduolio masės aproksimacija: 1 Ha = 2 Ry eV Atominių sistemų būsenų energijos, taip pat perėjimus tarp būsenų, galima išmatuoti kitais vienetais

43 Masė SI masės vienetas yra kilogramas (kg), tačiau atominės fizikos objektų masėms matuoti naudojamas papildomas sistemos matavimo vienetas, vadinamas atominės masės vienetu (a.m.u.). Atominis vienetas masė lygi 1/12 nesurišto, nesužadinto anglies-12 atomo masės (12 C): 1 a. e. m kg 1 a. e.m yra apytiksliai lygi vieno protono arba neutrono masei, išreikšta a. e.m. Avogadro konstanta N A fizinė konstanta, skaitiniu būdu lygus atomų skaičiui 12 g gryno anglies-12 izotopo: N A mol –1 Molyje (SI medžiagos kiekio vienetas) pagal apibrėžimą yra N A konstrukciniai elementai(atomai, molekulės, jonai).

44 Ilgis SI ilgio vienetas yra metras (m). 1 metras lygus atstumui, kurios šviesa vakuume sklinda per laiko intervalą, lygų 1/ sekundės. Išskyrus elektromagnetinės spinduliuotės bangų ilgių matavimus radijo diapazone, toks ilgio vienetas atomų fizikoje naudojamas retai, o vietoj jo tiesiniams matmenims matuoti naudojami keli metro vienetai, taip pat bangos ilgiai: centimetras (cm). , 1 cm = 10–2 m), milimetras ( mm, 1 mm = 10–3 m), mikrometras (μm, μm, 1 μm = 10–6 m), nanometras (nm, 1 nm = 10–9 m) , pikometras (pm, 1 pm = 10–12 m ) ir kiti, taip pat nesisteminiai vienetai: angstromas (Å, 1 Å = 0,1 nm = 10–10 m), boras (arba Boro spindulys) (1 bohr Å )

45 Laikas Laiko intervalų trukmės vienetas SI yra antrasis (s) Šiuo metu antrasis nustatomas pagal vadinamąjį. atominis laiko standartas: viena sekundė (arba atominė sekundė) yra lygi atitinkamiems elektromagnetinės spinduliuotės periodams energijos perėjimas tarp dviejų izotopo 133 Cs (cezis-133) pagrindinės būsenos hipersmulkiosios struktūros lygių Atominės fizikos greitų procesų trukmė paprastai matuojama posekundėmis: nano-, piko- arba femtosekundėmis (ns, ps, fs, 1 fs = 10–15 s)

46 Fizinių dydžių skalės atomų ir branduolių fizikoje Atominės fizikos reiškiniams būdingi dydžiai nuo 10–12 m (vidiniai sunkiųjų atomų posluoksniai) iki dešimtųjų nanometrų (atomų ir mažų molekulių dydžiai), energija nuo 10–6 eV (ultra smulki lygių struktūra) iki 10 5 eV (vidinio posluoksnio elektronų surišimo energija), laikas nuo dešimčių femtosekundžių (ultratrumpų lazerio impulsų trukmė) iki tūkstančių sekundžių (metastabilių atomų būsenų gyvavimo laikas) Tipiniai molekulių dydžiai yra 0,1– 1 nm. Mažiausios molekulės (H2) atstumas tarp branduolių yra lygus nm. DNR makromolekulės ir daugelis polimerų gali turėti makroskopinius matmenis. Taigi, išskleistos DNR spiralės ilgis gali siekti kelis centimetrus, o plotis maždaug 2 nm.

47 Fotonas Fotonas, arba elektromagnetinės spinduliuotės kvantas, bemasė elementarioji dalelė, neturinti elektros krūvio Vakuume fotonas juda greičiu c kryptys, statmenai krypčiai fotono sklidimas, nustatyti jo poliarizacijos būseną. Fotonas žymimas simboliu γ

Atomo branduolys yra centrinė atomo dalis, susidedanti iš protonų ir neutronų (kartu vadinami nukleonai).

Branduolį E. Rutherfordas atrado 1911 m., tyrinėdamas perdavimą α - dalelės per materiją. Paaiškėjo, kad beveik visa atomo masė (99,95%) yra sutelkta branduolyje. Atomo branduolio dydis yra 10 -1 3 -10 - 12 cm, tai yra 10 000 kartų mažesnio dydžio elektroninis apvalkalas.

E. Rutherfordo pasiūlytas planetinis atomo modelis ir eksperimentinis stebėjimas im vandenilio branduoliai išmušti α -dalelės iš kitų elementų branduolių (1919-1920), paskatino mokslininką mintis apie protonas. Terminas protonas buvo įvestas XX amžiaus XX amžiaus pradžioje.

Protonas (iš graikų k. protonų- pirma, simbolis p) yra stabili elementari dalelė, vandenilio atomo branduolys.

Protonas- teigiamai įkrauta dalelė, kurios absoliutus krūvis lygus elektrono krūviui e= 1,6 · 10 -1 9 Cl. Protono masė yra 1836 kartus didesnė už elektrono masę. Protonų ramybės masė m r= 1,6726231 · 10–27 kg = 1,007276470 amu

Antroji į branduolį įtraukta dalelė yra neutronas.

Neutronas (iš lat. neutralus– nei vieno, nei kito simbolio n) yra elementarioji dalelė, neturinti krūvio, t.y. neutrali.

Neutrono masė yra 1839 kartus didesnė už elektrono masę. Neutrono masė yra beveik lygi (šiek tiek didesnė) protono masei: likusioji laisvojo neutrono masė m n= 1,6749286 · 10 -27 kg = 1,0008664902 a.m.u. ir viršija protono masę 2,5 karto už elektrono masę. Neutronas kartu su protonu bendruoju pavadinimu nukleonas yra atominių branduolių dalis.

Neutroną 1932 metais aptiko E. Rutherfordo mokinys D. Chadwigas, bombarduodamas berilį. α - dalelės. Gauta didelės prasiskverbimo galios spinduliuotė (įveikianti barjerą, pagamintą iš 10-20 cm storio švino plokštės) sustiprino savo poveikį prasiskverbiant pro parafino plokštelę (žr. pav.). Joliot-Curie poros atliktas šių dalelių energijos iš takelių debesų kameroje įvertinimas ir papildomi stebėjimai leido atmesti pradinę prielaidą, kad γ - kvantai. Didesnis naujųjų dalelių, vadinamų neutronais, prasiskverbimas buvo paaiškintas jų elektriniu neutralumu. Juk įkrautos dalelės aktyviai sąveikauja su medžiaga ir greitai praranda energiją. Neutronų egzistavimą E. Rutherfordas numatė likus 10 metų iki D. Chadwigo eksperimentų. Kai nukentėjo α - dalelės patenka į berilio branduolius, įvyksta tokia reakcija:

Čia yra neutrono simbolis; jo krūvis lygus nuliui, o santykinė atominė masė apytiksliai lygi vienetui. Neutronas yra nestabili dalelė: laisvasis neutronas~ 15 minučių. skyla į protoną, elektroną ir neutriną – dalelę, neturinčią ramybės masės.

1932 m. J. Chadwickui atradus neutroną, D. Ivanenko ir V. Heisenbergas savarankiškai pasiūlė branduolio protonų-neutronų (nukleono) modelis. Pagal šį modelį branduolį sudaro protonai ir neutronai. Protonų skaičius Z sutampa su serijos numeris elementas D.I. Mendelejevo lentelėje.

Pagrindinis mokestis K nustatoma pagal protonų skaičių Z, įtrauktas į branduolį, ir yra elektronų krūvio absoliučios vertės kartotinis e:

Q = +Ze.

Skaičius Z paskambino branduolio krūvio numeris arba atominis skaičius.

Branduolio masės skaičius A paskambino bendras skaičius nukleonai, t.y. jame esantys protonai ir neutronai. Neutronų skaičius branduolyje nurodomas raide N. Taigi masės skaičius yra:

A = Z + N.

Nukleonams (protonui ir neutronui) priskiriamas masės skaičius, lygus vienetui, o elektronui – nulis.

Branduolio sudėties idėją taip pat palengvino atradimas izotopų.

Izotopai (iš graikų k. isos- lygus, identiškas ir topoa- vieta) yra to paties cheminio elemento atomų atmainos, kurių atominiai branduoliai turi tas pats numeris proto-nov ( Z) Ir skirtingas numeris neutronai ( N).

Tokių atomų branduoliai dar vadinami izotopais. Izotopai yra nuklidai vienas elementas. Nuklidas (iš lot. branduolys- branduolys) - bet koks atomo branduolys (atitinkamai atomas) su duotus skaičius Z Ir N. Bendras nuklidų pavadinimas yra ……. Kur X- cheminio elemento simbolis, A = Z + N- masės skaičius.

Izotopai užima tą pačią vietą periodinėje elementų lentelėje, iš kur kilo jų pavadinimas. Pagal jų pačių branduolinės savybės(pavyzdžiui, dėl galimybės prisijungti branduolinės reakcijos) izotopai, kaip taisyklė, labai skiriasi. Izotopų cheminės (ir beveik tiek pat fizinės) savybės yra vienodos. Tai paaiškinama tuo, kad cheminės savybės elementus lemia branduolio krūvis, nes būtent tai daro įtaką atomo elektroninio apvalkalo struktūrai.

Išimtis yra lengvųjų elementų izotopai. Vandenilio izotopai 1 N — protium, 2 N— deuterio, 3 N — tričio taip smarkiai skiriasi masėmis, kad skiriasi jų fizinės ir cheminės savybės. Deuteris yra stabilus (ty neradioaktyvus) ir yra įtrauktas į paprastą vandenilį kaip maža priemaiša (1:4500). Kai deuteris susijungia su deguonimi, susidaro sunkusis vanduo. Ji normali atmosferos slėgis verda 101,2 °C, o užšąla +3,8 °C temperatūroje. Tritis β -radioaktyvus, kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie 12 metų.

Visi cheminiai elementai turi izotopus. Kai kurie elementai turi tik nestabilius (radioaktyvius) izotopus. Radioaktyvieji izotopai buvo dirbtinai gauti visiems elementams.

Urano izotopai. Elementas uranas turi du izotopus – kurių masės skaičiai 235 ir 238. Izotopas sudaro tik 1/140 įprastesnio.