Где находится заряд ядра. Строение и заряд ядра атома

Белкин И.К. Заряд атомного ядра и периодическая система элементов Менделеева //Квант. - 1984. - № 3. - С. 31-32.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Современные представления о строении атома возникли в 1911 - 1913 годах, после знаменитых опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. В этих опытах было показано, что α -частицы (их заряд положительный), попадая на тонкую металлическую фольгу, иногда отклоняются на большие углы и даже отбрасываются назад. Это можно было объяснить только тем, что положительный заряд в атоме сконцентрирован в ничтожно малом объеме. Если представить его в виде шарика, то, как установил Ре- зерфорд, радиус этого шарика должен быть равен примерно 10 -14 -10 -15 м, что в десятки и сотни тысяч раз меньше размеров атома в целом (~10 -10 м). Только вблизи столь малого по размерам положительного заряда может существовать электрическое поле, способное отбросить α -частицу, мчащуюся со скоростью около 20 000 км/с. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром.

Так возникла идея о том, что атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, существование которых в атомах было установлено ранее. Очевидно, что, поскольку атом в целом электрически нейтрален, заряд ядра должен быть численно равен заряду всех имеющихся в атоме электронов. Если обозначить модуль заряда электрона буквой е (элементарный заряд), то заряд q я ядра должен быть равен q я = Ze , где Z - целое число, равное числу электронов в атоме. Но чему равно число Z ? Чему равен заряд q я ядра?

Из опытов Резерфорда, позволивших установить размеры ядра, в принципе, можно определить и величину заряда ядра. Ведь электрическое поле, отбрасывающее α -частицу, зависит не только от размеров, но и от заряда ядра. И Резерфорд в самом деле оценил заряд ядра. По Резерфорду заряд ядра атома того или иного химического элемента примерно равен половине его относительной атомной массы А , умноженной на элементарный заряд е , то есть

\(~Z = \frac{1}{2}A\).

Но, как это ни странно, истинный заряд ядра был установлен не Резер- фордом, а одним из читателей его статей и докладов - голландским ученым Ван-ден-Бруком (1870-1926). Странно потому, что Ван-ден-Брук по образованию и профессии был не физиком, а юристом.

Почему Резерфорд, оценивая заряды атомных ядер, соотносил их с атомными массами? Дело в том, что когда в 1869 году Д. И. Менделеев создал периодическую систему химических элементов, он расположил элементы в порядке возрастания их относительных атомных масс. И за истекшие сорок лет все привыкли к тому, что самая важная характеристика химического элемента - его относительная атомная масса, что именно она отличает один элемент от другого.

Между тем именно в это время, в начале XX века, с системой элементов возникли трудности. При исследовании явления радиоактивности был открыт ряд новых радиоактивных элементов. И для них в системе Менделеева как будто бы не было места. Казалось, что система Менделеева требовала изменения. Этим и был особенно озабочен Ван-ден-Брук. В течение нескольких лет им было предложено несколько вариантов расширенной системы элементов, в которой хватило бы места не только для неоткрытых еще стабильных элементов (о местах для них «позаботился» еще сам Д. И. Менделеев), но и для радиоактивных элементов тоже. Последний вариант Ван-ден-Брук опубликовал в начале 1913 года, в нем было 120 мест, а уран занимал клетку под номером 118.

В том же 1913 году были опубликованы результаты последних исследований по рассеянию α -частиц на большие углы, проведенных сотрудниками Резерфорда Гейгером и Марсденом. Анализируя эти результаты, Ван-ден-Брук сделал важнейшее открытие. Он установил, что число Z в формуле q я = Ze равно не половине относительной массы атома химического элемента, а его порядковому номеру. И притом порядковому номеру элемента в системе Менделеева, а не в его, Ван-ден-Брука, 120-местной системе. Система Менделеева, оказывается, не нуждалась в изменении!

Из идеи Ван-ден-Брука следует, что всякий атом состоит из атомного ядра, заряд которого равен порядковому номеру соответствующего элемента в системе Менделеева, умноженному на элементарный заряд, и электронов, число которых в атоме тоже равно порядковому номеру элемента. (Атом меди, например, состоит из ядра с зарядом, равным 29е , и 29 электронов.) Стало ясно, что Д. И. Менделеев интуитивно расположил химические элементы в порядке возрастания не атомной массы элемента, а заряда его ядра (хотя он об этом и не знал). Следовательно, один химический элемент отличается от другого не своей атомной массой, а зарядом атомного ядра. Заряд ядра атома - вот главная характеристика химического элемента. Существуют атомы совершенно различных элементов, но с одинаковыми атомными массами (они имеют специальное название - изобары).

То, что не атомные массы определяют положение элемента в системе, видно и из таблицы Менделеева: в трех местах нарушено правило возрастания атомной массы. Так, относительная атомная масса у никеля (№ 28) меньше, чем у кобальта (№ 27), у калия (№ 19) она меньше, чем у аргона (№ 18), у иода (№ 53) меньше, чем у теллура (№ 52).

Предположение о взаимосвязи заряда атомного ядра и порядкового номера элемента легко объясняло и правила смещения при радиоактивных превращениях, открытые в том же 1913 году («Физика 10», § 103). В самом деле, при испускании ядром α -частицы, заряд которой равен двум элементарным зарядам, заряд ядра, а значит, и его порядковый номер (теперь обычно говорят - атомный номер) должен уменьшиться на две единицы. При испускании же β -частицы, то есть отрицательно заряженного электрона, он должен увеличиться на одну единицу. Именно в этом и состоят правила смещения.

Идея Ван-ден-Брука очень скоро (буквально в том же году) получила первое, правда косвенное, опытное подтверждение. Несколько позже правильность ее была доказана прямыми измерениями заряда ядер многих элементов. Понятно, что она сыграла важную роль в дальнейшем развитии физики атома и атомного ядра.

Из планетарной модели строения атомов нам известно, что атом представляет собой ядро, и вращающееся вокруг него облако электронов. Причем расстояние между электронами и ядром в десятки и сотни тысяч раз больше, чем размер самого ядра.

Что же представляет собой само ядро? Это маленький твердый неделимый шарик или оно состоит из более мелких частиц? Ни один существующий в мире микроскоп не в состоянии наглядно показать нам, что происходит на таком уровне. Там все слишком маленькое. Тогда как быть? Возможно ли вообще изучить физику атомного ядра? Как узнать состав и характеристики атомного ядра, если исследовать его нет возможности?

Заряд ядра атома

Самыми разнообразными косвенными опытами, высказывая гипотезы и проверяя их на практике, путем проб и ошибок, ученым удалось исследовать строение атомного ядра. Оказалось, что ядро состоит из еще более мелких частиц. От количества этих частиц зависит размер ядра, его заряд и химические свойства вещества. Причем частицы эти обладают положительным зарядом, что и компенсирует отрицательный заряд электронов атома. Частицы эти назвали протонами. Их количество в нормальном состоянии всегда равно количеству электронов. Вопрос, как определить заряд ядра, больше не стоял. Заряд ядра атома в нейтральном состоянии всегда равен числу вращающихся вокруг него электронов и противоположен по знаку заряду электронов. А определять количество и заряд электронов физики уже научились.

Строение атомного ядра: протоны и нейтроны

Однако в процессе дальнейших исследований возникла новая проблема. Оказалось, что протоны, обладая одинаковым зарядом, в некоторых случаях вдвое различаются по массе. Это вызвало множество вопросов и не состыковок. В конце концов, удалось установить, что в состав атомного ядра, кроме протонов входят еще некие частицы, практически равные протонам по массе, однако не обладающие никаким зарядом. Частицы эти назвали нейтронами. Обнаружение нейтронов разрешило все не состыковки в расчетах. В итоге протоны и нейтроны, как составляющие элементы ядра получили название нуклонов. Расчет любых значений, касающихся характеристик ядра, стал значительно более простым понятным. В образовании заряда ядра нейтроны участия не принимают, поэтому влияние их на химические свойства вещества практически не проявляется, однако нейтроны участвуют в образовании массы ядер, соответственно, влияют на гравитационные свойства ядра атома. Таким образом, присутствует некоторое косвенное влияние нейтронов на свойства вещества, но оно крайне незначительно.

Строение атома – это одна из базовых тем курса химии, которая основана на знании пользоваться таблицей «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева». Это не только классифицированные и расположенные по определенным законам химические элементы, но и кладезь информации, в том числе и о строении атома . Зная особенности чтения этого неповторимого справочного материала, дозволено дать полную добротную и количественную колляцию атому.

Вам понадобится

• Таблица Д.И.Менделеева

Инструкция

1. В таблице Д.И.Менделеева, как в многоэтажном многоквартирном доме «живут» химические элементы, весь из которых занимает свою собственную квартиру. Таким образом, всякий из элементов имеет определенный порядковый номер, указанный в таблице. Нумерация химических элементов начинается слева направо, причем сверху. В таблице горизонтальные ряды именуются периодами, а вертикальные столбцы – группами. Это немаловажно, так как по номеру группы либо периода дозволено также дать колляцию некоторым параметрам атома .

2. Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из больше мелких комбинированных частей, к которым дозволено отнести протоны (правильно заряженные частицы), электроны (заряжены негативно) и нейтроны (нейтральные частицы). Основная масса атома сфокусирована в ядре (за счет протонов и нейтронов), вокруг которого вращаются электроны. В совокупности атом электронейтрален, то есть в нем число правильных зарядов совпадает с числом негативных, следственно, число протонов и электронов идентично. Правильный заряд ядра атома имеет место быть как раз за счет протонов.

3. Нужно запомнить, что порядковый номер химического элемента количественно совпадает с зарядом ядра атома . Следственно, дабы определить заряд ядра атома нужно посмотреть, под каким номером находится данный химический элемент.

4. Пример № 1. Определить заряд ядра атома углерода (С). Начинаем исследовать химический элемент углерод, ориентируясь на таблицу Д.И.Менделеева. Углерод находится в «квартире» № 6. Следственно, он имеет заряд ядра +6 за счет 6 протонов (правильно заряженных частиц), которые располагаются в ядре. Рассматривая, что атом электронейтрален, значит, электронов тоже будет 6.

5. Пример № 2. Определить заряд ядра атома алюминия (Al). Алюминий имеет порядковый номер – № 13. Следственно, заряд ядра атома алюминия +13 (за счет 13 протонов). Электронов также будет 13.

6. Пример № 3. Определить заряд ядра атома серебра (Ag). Серебро имеет порядковый номер – № 47. Значит, заряд ядра атома серебра + 47 (за счет 47 протонов). Электронов также 47.

Атом химического элемента состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро – это центральная часть атома, в котором сконцентрирована примерно каждая его масса. В различие от электронной оболочки, ядро имеет правильный заряд .

Вам понадобится

• Атомный номер химического элемента, закон Мозли

Инструкция

1. Ядро атома состоит из 2-х типов частиц – протонов и нейтронов. Нейтроны являются электронейтральными частицами, то есть их электрический заряд равен нуля. Протоны являются позитивно заряженными частицами и их электрический заряд равен +1.

2. Таким образом, заряд ядра равен числу протонов. В свою очередь, число протонов в ядре равно ядерному номеру химического элемента. К примеру, ядерный номер водорода – 1, то есть ядро водорода состоит из одного протона имеет заряд +1. Ядерный номер натрия – 11, заряд его ядра равен +11.

3. При альфа-распаде ядра его его ядерный номер уменьшается на два за счет испускания альфа-частицы (ядра атома гелия). Таким образом, число протонов в ядре, испытавшем альфа-распад, также уменьшается на два.Бета-распад может протекать в 3 разных видах. В случае распада «бета-минус» нейтрон превращается в протон при испускании электрона и антинейтрино. Тогда заряд ядра возрастает на единицу.В случае распада «бета-плюс» протон превращается в нейтрон, позитрон и нйтрино, заряд ядра уменьшается на единицу.В случае электронного захвата заряд ядра также уменьшается на единицу.

4. Заряд ядра дозволено также определить по частоте спектральных линий характеристического излучения атома. Согласно закону Мозли: sqrt(v/R) = (Z-S)/n, где v – спектральная частота характеристического излучения, R – непрерывная Ридберга, S – непрерывная экранирования, n – основное квантовое число.Таким образом, Z = n*sqrt(v/r)+s.

Видео по теме

Атом – мельчайшая частица всего элемента, которая несет его химические свойства. Как существование, так и строение атома являлось предметом рассуждений и постижений с древних времен. Было установлено, что строение атомов сродни строению Ясной системы: в центре ядро, занимающее дюже немного места, но сфокусировавшее в себе примерно всю массу; вокруг него вращаются «планеты» – электроны, несущие негативные заряды . А как дозволено обнаружить заряд ядра атома?

Инструкция

1. Всякий атом электрически нейтрален. Но, от того что электроны несут негативные заряды , они обязаны быть уравновешены противоположными зарядами. Так и есть. Позитивные заряды несут частицы под наименованием «протоны», расположенные в ядре атома. Протон значительно громоздче электрона: он весит столько же, сколько 1836 электронов!

2. Самый примитивный случай – атом водорода первого элемента Периодической таблицы. Посмотрев в таблицу, вы удостоверитесь, что он занимает место под первым номером, а его ядро состоит из исключительного протона, вокруг которого вращается исключительный электрон. Из этого следует, что заряд ядра атома водорода равен +1.

3. Ядра других элементов состоят теснее не только из протонов, но и из так называемых «нейтронов». Как вы легко можете осознать из самого наименования, нейтроны вообще не несут никакого заряда – ни негативного, ни правильного. Следственно запомните: сколько бы нейтронов не входило в состав ядерного ядра , они влияют лишь на его массу, но не на заряд.

4. Следственно, величина позитивно заряда ядра атома зависит лишь от того, сколько протонов в нем содержится. Но от того что, как теснее указывалось, атом электрически нейтрален, в его ядре должно содержаться столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг ядра . Число же протонов определяется порядковым номером элемента в Таблице Менделеева.

5. Разглядите несколько элементов. Скажем, знаменитый и животрепещуще нужный кислород находится в «ячейке» под номером 8. Следственно, в его ядре содержатся 8 протонов, и заряд ядра будет +8. Сталь занимает «ячейку» с номером 26, и, соответственно, имеет заряд ядра +26. А порядочный металл – золото, с порядковым номером 79 – будет иметь верно такой же заряд ядра (79), со знаком +. Соответственно, в атоме кислорода содержится 8 электронов, в атоме железа – 26, а в атоме золота – 79.

Видео по теме

В обыкновенных условиях атом электрически нейтрален. При этом ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, заряжено одобрительно, а электроны несут негативный заряд. При избытке либо недостатке электронов атом превращается в ион.

Инструкция

1. Всякий химический элемент имеет свой неповторимый заряд ядра. Именно заряд определяет номер элемента в периодической системе. Так, ядро водорода имеет заряд +1, гелия +2, лития +3, бериллия +4 и т.д. Таким образом, если вестим элемент, заряд ядра его атома дозволено определить из таблицы Менделеева.

2. От того что при обыкновенных условиях атом электрически нейтрален, число электронов соответствует заряду ядра атома. Негативный заряд электронов компенсируется позитивным зарядом ядра. Электростатические силы удерживают электронные облака возле атома, что обеспечивает его стабильность.

3. При воздействии определенных условий у атома дозволено отнимать электроны либо присоединять к нему добавочные. Если отнять электрон от атома, атом превращается в катион – правильно заряженный ион. При избыточном числе электронов атом становится анионом – негативно заряженным ионом.

4. Химические соединения могут иметь молекулярную либо ионную природу. Молекулы также электрически нейтральны, а ионы несут в себе определенный заряд. Так, молекула аммиака NH3 нейтральна, а вот ион аммония NH4+ заряжен правильно. Связи между атомами в молекуле аммиака ковалентные, образованные по обменному типу. Четвертый атом водорода присоединяется по донорно-акцепторному механизму, это тоже ковалентная связь. Аммоний образуется при взаимодействии аммиака с растворами кислот.

5. Главно понимать, что заряд ядра элемента не зависит от химических перевоплощений. Сколько электронов ни добавляй и ни отнимай, заряд ядра останется тем же. К примеру, атом O, анион O- и катион O+ характеризуются одним и тем же зарядом ядра +8. При этом атом имеет 8 электронов, анион 9, катион – 7. Само ядро дозволено изменить только путем ядерных метаморфоз.

6. Особенно частый вид ядерных реакций – радиоактивный распад, тот, что может происходить в натуральной среде. Ядерная масса элементов, подвергающихся в природе такому распаду, заключена в квадратные скобки. Это обозначает, что массовое число непостоянно, меняется на протяжении времени.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева серебро имеет порядковый номер 47 и обозначение «Ag» (argentum). Наименование этого металла, возможно, случилось от латинского «argos», что обозначает «белый», «блистающий».

Инструкция

1. Серебро было знаменито обществу еще в IV тысячелетии до нашей эпохи. В Старинном Египте его называли даже «белым золотом». Данный дорогой металл встречается в природе как в самородном виде, так и в виде соединений, скажем, сульфидов. Серебряные самородки владеют огромным весом и зачастую содержат примеси золота, ртути, меди, платины, сурьмы и висмута.

2. Химические свойства серебра.Серебро относится к группе переходных металлов и владеет всеми свойствами металлов. Впрочем химическая активность серебра невелика – в электрохимическом ряду напряжений металлов оно находится правее водорода, примерно в самом конце. В соединениях серебро почаще каждого проявляет степень окисления +1.

3. При обыкновенных условиях серебро не реагирует с кислородом, водородом, азотом, углеродом, кремнием, но взаимодействует с серой, образуя сульфид серебра: 2Ag+S=Ag2S. При нагревании серебро взаимодействует с галогенами: 2Ag+Cl2=2AgCl?.

4. Растворимый нитрат серебра AgNO3 применяется для добротного определения галогенид-ионов в растворе – (Cl-), (Br-), (I-): (Ag+)+(Hal-)=AgHal?. К примеру, при взаимодействии с анионами хлора серебро дает нерастворимый белый осадок AgCl?.

5. Отчего серебряные изделия меркнут на воздухе?Повод постепенного потемнения изделий из серебра объясняется тем, что серебро реагирует с содержащимся в воздухе сероводородом. В итоге этого на поверхности металла образуется пленка Ag2S: 4Ag+2H2S+O2=2Ag2S+2H2O.

6. Как серебро взаимодействует с кислотами?С разбавленными соляной и серной кислотами серебро, как и медь, не взаимодействует, от того что является металлом низкой активности и не может вытеснять из них водород. Кислоты-окислители, азотная и концентрированная серная кислоты, растворяют серебро: 2Ag+2H2SO4(конц.)=Ag2SO4+SO2?+2H2O; Ag+2HNO3(конц.)=AgNO3+NO2?+H2O; 3Ag+4HNO3(разб.)=3AgNO3+NO?+2H2O.

7. Если к раствору нитрата серебра добавить щелочь, получится темно-каштановый осадок оксида серебра Ag2O: 2AgNO3+2NaOH=Ag2O?+2NaNO3+H2O.

8. Как и соединения одновалентной меди, нерастворимые осадки AgCl и Ag2O способны растворяться в растворах аммиака, давая комплексные соединения: AgCl+2NH3=Cl; Ag2O+4NH3+H2O=2OH. Последнее соединение зачастую используют в органической химии в реакции «серебряного зеркала» – добротной реакции на альдегидную группу.

Углерод – это один из химических элементов, имеющий в периодической таблице символ С. Его порядковый номер – 6, ядерная масса – 12,0107 г/моль, радиус атома – 91 пм. Своим наименованием углерод обязан русским химикам, которые вначале присвоили элементу имя «углетвор», после этого трансформировавшееся в нынешнее.

Инструкция

1. Применялся углерод в промышленности еще глубокой древности, когда кузнецы использовали его при выплавке металлов. Обширно знамениты две аллотропные модификации химического элемента – алмаз, применяемый в ювелирной и индустриально отраслях, а также графит, за открытие которого незадолго была присуждена Нобелевская премия. Еще Антуан Лавуазье проводил первые навыки с так называемым чистым углем, после этого его свойства отчасти изучила группа ученых – Гитон де Морво, собственно сам Лавуазье, Бертолле и Фуркруа, которые описали свой навык в книге «Способ химической номенклатуры».

2. Впервой вольный углерод вывел британец Теннант, тот, что пропустил пары фосфора над раскаленным мелом и получил фосфат кальция совместно с углеродом. Продолжил навыки британского сотрудники француз Гитон де Морво. Он осмотрительно нагрел алмаз, в итоге чего превратил его в графит и позже в угольную кислоту.

3. Углерод владеет достаточно многообразными физическими свойствами по причине образования химических связей разного типа. Теснее вестимо, что данный химический элемент непрерывно образуется в нижних слоях стратосферы, а его свойства еще с 50-х годов обеспечили углероду место на АЭС и в ядерных водородных бомбах.

4. Физики выделяют несколько форм либо конструкций углерода: тетрическую, тригональную и диагональную. У него есть и несколько кристаллических вариаций – алмаз, графен, графит, карбин, лонсдейлит, наноалмаз, фуллерен, фуллерит, углеродное волокно, нановолокно и нанотрубки. Есть формы и у аморфного углерода: активированный и древесный уголь, ископаемый уголь либо антрацит, камменоугольный либо нефтяной кокс, стеклоуглерод, техуглерод, сажа и углеродная нанопленка. Физики также разделяют и коластерные вариации – астралены, диуглероды и углеродные наноконусы.

5. Углерод достаточно инертен в условиях отсутствия экстремальных температур, а при достижении их верхнего порога горазд соединяться с другими химическими элементами, проявляя сильнейшие восстановительные свойства.

6. Вероятно, особенно знаменитым использованием углерода является карандашная промышленность, где его смешивают с глиной для меньшей ломкости. Его используют и в качестве смазочного средства при дюже высоких либо низких температурах, а высокая температура плавления дает вероятность производить из углерода крепкие тигли для заливки металлов. Графит также очаровательно проводит электрический ток, что дает огромные перспективы для использования его в электронике.

Видео по теме

Обратите внимание!
В таблице Д.И.Менделеева в одной клетке для всего химического элемента указаны два числовых значения. Не путайте порядковый номер и относительную ядерную массу элемента

Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.

Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Главная » Правила в английском языке » Где находится заряд ядра. Строение и заряд ядра атома