Какъв е зарядът на атомните ядра. Атомно ядро: ядрен заряд

Атомът е най-малката частица от химически елемент, която задържа всичко Химични свойства. Атомът се състои от ядро, което има положителен електрически заряд, и отрицателно заредени електрони. Зарядът на ядрото на всеки химичен елемент е равен на произведението на Z и e, където Z е поредният номер на този елемент в периодичната таблица химически елементи, e - стойността на елементарния електрически заряд.

Електроне най-малката частица от вещество с отрицателен електричен заряд e=1,6·10 -19 кулона, взет за елементарен електричен заряд. Електроните, въртящи се около ядрото, се намират в електронните обвивки K, L, M и т.н. K е обвивката, която е най-близо до ядрото. Размерът на атома се определя от размера на неговата електронна обвивка. Един атом може да загуби електрони и да стане положителен йон или да получи електрони и да стане отрицателен йон. Зарядът на един йон определя броя на загубените или получените електрони. Процесът на превръщане на неутрален атом в зареден йон се нарича йонизация.

Атомно ядро (централната част на атома) се състои от елементарни ядрени частици - протони и неутрони. Радиусът на ядрото е приблизително сто хиляди пъти по-малък от радиуса на атома. Плътността на атомното ядро ​​е изключително висока. протони- това са стабилни елементарни частици с един положителен електрически заряд и маса 1836 пъти по-голяма от масата на електрона. Протонът е ядрото на атома на най-лекия елемент, водорода. Броят на протоните в ядрото е Z. Неутроне неутрална (без електрически заряд) елементарна частица с маса, много близка до масата на протона. Тъй като масата на ядрото се състои от масата на протоните и неутроните, броят на неутроните в ядрото на атома е равен на A - Z, където A е масовото число на даден изотоп (виж). Протонът и неутронът, които изграждат ядрото, се наричат ​​нуклони. В ядрото нуклоните са свързани чрез специални ядрени сили.

Атомното ядро ​​съдържа огромен запас от енергия, която се освобождава по време на ядрени реакции. Ядрените реакции възникват, когато атомните ядра взаимодействат с елементарни частици или с ядрата на други елементи. В резултат на ядрените реакции се образуват нови ядра. Например неутронът може да се трансформира в протон. В този случай бета частица, т.е. електрон, се изхвърля от ядрото.

Преходът на протон към неутрон в ядрото може да се извърши по два начина: или частица с маса, равна на масата на електрона, но с положителен заряд, наречена позитрон (разпад на позитрон), се излъчва от ядрото или ядрото улавя един от електроните от K-обвивката, която е най-близо до него (K -захващане).

Понякога полученото ядро ​​има излишък от енергия (във възбудено състояние) и при връщане в нормално състояние освобождава излишната енергия под формата на електромагнитно излъчване с много къса дължина на вълната - . Енергията, отделена по време на ядрени реакции, се използва практически в различни индустриииндустрия.

Атом (на гръцки atomos - неделим) е най-малката частица от химичен елемент, която има неговите химични свойства. Всеки елемент се състои от атоми от определен тип. Атомът се състои от ядро, което носи положителен електрически заряд, и отрицателно заредени електрони (виж), образуващи неговите електронни обвивки. Големината на електрическия заряд на ядрото е равна на Z-e, където e е елементарният електрически заряд, равен по големина на заряда на електрона (4,8·10 -10 електрически единици), а Z е атомният номер на този елемент в периодичната система на химичните елементи (виж .). Тъй като нейонизираният атом е неутрален, броят на включените в него електрони също е равен на Z. Съставът на ядрото (виж Атомно ядро) включва нуклони, елементарни частици с маса приблизително 1840 пъти по-голяма от масата на електрона (равно на 9,1 10 - 28 g), протони (виж), положително заредени и неутрони без заряд (виж). Броят на нуклоните в ядрото се нарича масово число и се обозначава с буквата А. Броят на протоните в ядрото, равен на Z, определя броя на електроните, влизащи в атома, структурата на електронните обвивки и химичния свойства на атома. Броят на неутроните в ядрото е A-Z. Изотопите са разновидности на един и същи елемент, чиито атоми се различават един от друг по масово число А, но имат еднакъв Z. По този начин в ядрата на атомите на различни изотопи на един и същи елемент има различен номернеутрони с еднакъв брой протони. Когато се означават изотопи, масовото число А се изписва над символа на елемента, а атомното число отдолу; например изотопите на кислорода се обозначават:

Размерите на атома се определят от размерите на електронните обвивки и за всички Z са стойност от порядъка на 10 -8 cm, тъй като масата на всички електрони на атома е няколко хиляди пъти по-малка от масата на ядрото , масата на атома е пропорционална на масовото число. Относителната маса на атом на даден изотоп се определя по отношение на масата на атом на въглеродния изотоп С12, взета като 12 единици, и се нарича изотопна маса. То се оказва близко до масовото число на съответния изотоп. Относителното тегло на атом на химичен елемент е средната (като се вземе предвид относителното изобилие на изотопи на даден елемент) стойност на изотопното тегло и се нарича атомно тегло (маса).

Атомът е микроскопична система и неговата структура и свойства могат да бъдат обяснени само с помощта на квантовата теория, създадена главно през 20-те години на 20 век и предназначена да опише явления в атомен мащаб. Експериментално е установено, че микрочастиците - електрони, протони, атоми и др. - освен корпускулярни притежават вълнови свойства, проявяващи се в дифракция и интерференция. В квантовата теория за описание на състоянието на микрообектите се използва определено вълново поле, характеризиращо се с вълнова функция (Ψ-функция). Тази функция определя вероятностите за възможни състояния на микрообект, т.е. характеризира потенциалните възможности за проява на някои от неговите свойства. Законът за изменение на функцията Ψ в пространството и времето (уравнението на Шрьодингер), който позволява да се намери тази функция, играе същата роля в квантовата теория като законите на Нютон за движение в класическата механика. Решаването на уравнението на Шрьодингер в много случаи води до дискретни възможни състояния на системата. Така, например, в случай на атом се получава поредица от вълнови функции за електрони, съответстващи на различни (квантувани) енергийни стойности. Системата от атомни енергийни нива, изчислена по методите на квантовата теория, получи блестящо потвърждение в спектроскопията. Преходът на атома от основното състояние, съответстващо на най-ниското енергийно ниво E 0, към някое от възбудените състояния E i става при поглъщане на определена част от енергията E i - E 0 . Възбуден атом преминава в по-малко възбудено или основно състояние, обикновено чрез излъчване на фотон. В този случай енергията на фотона hv е равна на разликата в енергиите на атома в две състояния: hv = E i - E k където h е константата на Планк (6,62·10 -27 erg·sec), v е честотата на светлината.

В допълнение към атомните спектри, квантовата теория направи възможно обяснението на други свойства на атомите. По-специално, валентността, природата химическа връзкаи структурата на молекулите е създадена теорията за периодичната система от елементи.

от планетарен моделструктурата на атомите знаем, че атомът е ядро ​​и облак от електрони, въртящи се около него. Освен това разстоянието между електроните и ядрото е десетки и стотици хиляди пъти по-голямо от размера на самото ядро.

Какво е самото ядро? Малка твърда неделима топка ли е или е съставена от по-малки частици? Нито един съществуващ микроскоп в света не е в състояние ясно да ни покаже какво се случва на това ниво. Там всичко е твърде малко. Тогава какво да правим? Възможно ли е изобщо да се изучава физиката на атомното ядро? Как да разберете състава и характеристиките на атомното ядро, ако не е възможно да го изследвате?

Заряд на ядрото на атома

Чрез голямо разнообразие от индиректни експерименти, изразяване на хипотези и тестването им на практика, чрез опити и грешки учените успяха да проучат структурата на атомното ядро. Оказа се, че ядрото се състои от още по-малки частици. Размерът на ядрото, неговият заряд и химичните свойства на веществото зависят от броя на тези частици. Освен това тези частици имат положителен заряд, който компенсира отрицателния заряд на електроните на атома. Тези частици бяха наречени протони. Техният брой в нормално състояние винаги е равен на броя на електроните. Въпросът как да се определи ядреният заряд вече не беше повдигнат.Зарядът на ядрото на атома в неутрално състояние е винаги равно на числотоелектрони, въртящи се около него и е противоположен по знак на заряда на електроните. И физиците вече са се научили да определят броя и заряда на електроните.

Строеж на атомното ядро: протони и неутрони

В процеса на по-нататъшно изследване обаче възникна нов проблем. Оказа се, че протоните, имащи равен заряд, в някои случаи двойно по-различни по маса. Това повдигна много въпроси и несъответствия. В крайна сметка беше възможно да се установи, че атомното ядро, освен протони, съдържа и някои частици, които са почти равни по маса на протоните, но нямат никакъв заряд. Тези частици бяха наречени неутрони. Откриването на неутрони разреши всички несъответствия в изчисленията. В резултат на това протоните и неутроните, като съставни елементи на ядрото, бяха наречени нуклони. Изчисляването на всякакви стойности, свързани с характеристиките на ядрото, стана много по-лесно за разбиране. Неутроните не участват в образуването на ядрения заряд, така че тяхното влияние върху химичните свойства на веществото практически не се проявява, но неутроните участват в образуването на масата на ядрата и съответно влияят върху гравитационните свойства на атомното ядро. По този начин има косвен ефект на неутроните върху свойствата на веществото, но той е изключително незначителен.

Изследвайки преминаването на алфа частица през тънко златно фолио (виж раздел 6.2), Е. Ръдърфорд стигна до заключението, че атомът се състои от тежко положително заредено ядро ​​и електрони, които го заобикалят.

Ядро наречена централната част на атома,в който е съсредоточена почти цялата маса на атома и неговия положителен заряд.

IN състав на атомното ядро включва елементарни частици : протони И неутрони (нуклони от латинската дума ядро- сърцевина). Такъв протонно-неутронен модел на ядрото е предложен от съветския физик през 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протонът има положителен заряд e + = 1,06 10 –19 C и маса на покой m p= 1,673·10 –27 kg = 1836 аз. неутрон ( н) – неутрална частица с маса на покой m n= 1,675 10 –27 kg = 1839 аз(където е масата на електрона аз, равно на 0,91·10 –31 kg). На фиг. Фигура 9.1 показва структурата на атома на хелия според представите от края на 20-ти - началото на 21-ви век.

Основен заряд равно на Зе, Където д– протонен заряд, З– номер на такса, равен сериен номерхимически елемент в периодичната таблица на елементите на Менделеев, т.е. брой протони в ядрото. Означен е броят на неутроните в ядрото н. Обикновено З > н.

Известни в момента ядра с З= 1 към З = 107 – 118.

Броят на нуклоните в ядрото А = З + нНаречен масово число . Ядра със същите З, но различни Аса наречени изотопи. Ядра, които, със същите Аимат различни З, са наречени изобари.

Ядрото се обозначава със същия символ като неутралния атом, където х– символ на химичен елемент. Например: водород З= 1 има три изотопа: – протий ( З = 1, н= 0), – деутерий ( З = 1, н= 1), – тритий ( З = 1, н= 2), калайът има 10 изотопа и т.н. В преобладаващото мнозинство изотопите на един химичен елемент имат същия химичен и подобен химичен състав физични свойства. Общо са известни около 300 стабилни изотопа и повече от 2000 естествени и изкуствено получени. радиоактивни изотопи.

Размерът на ядрото се характеризира с радиуса на ядрото, което има конвенционално значение поради размиването на границата на ядрото. Дори Е. Ръдърфорд, анализирайки своите експерименти, показа, че размерът на ядрото е приблизително 10–15 m (размерът на атома е 10–10 m). Има емпирична формула за изчисляване на радиуса на сърцевината:

Където Р 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m Това показва, че обемът на ядрото е пропорционален на броя на нуклоните.

Плътността на ядрената материя е от порядъка на 10 17 kg/m 3 и е постоянна за всички ядра. Тя значително надвишава плътността на най-плътните обикновени вещества.

Протоните и неутроните са фермиони, защото имат въртене ħ /2.

Ядрото на атома има собствен ъглов момент – ядрено въртене :

,

(9.1.2)

Където аз – вътрешни(пълен)спиново квантово число.

Номер азприема цели или полуцели стойности 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.н. Ядра с дори Аимат цяло число завъртане(в единици ħ ) и се подчиняват на статистиката Бозе–Айнщайн(бозони). Ядра с странно Аимат полуцяло въртене(в единици ħ ) и се подчиняват на статистиката Ферми–Дирак(тези. ядра - фермиони).

Ядрените частици имат свои собствени магнитни моменти, които определят магнитния момент на ядрото като цяло. Единицата за измерване на магнитните моменти на ядрата е ядрен магнетон μ отрова:

Тук д– абсолютна стойност на заряда на електрона, m p– протонна маса.

Ядрен магнетон в m p/аз= 1836,5 пъти по-малко от магнетона на Бор, следва това определят се магнитните свойства на атомите магнитни свойстванеговите електрони .

Съществува връзка между въртенето на ядрото и неговия магнитен момент:

където γ отрова – ядрено жиромагнитно отношение.

Неутронът има отрицателен магнитен момент μ н≈ – 1,913μ отрова, тъй като посоката на въртене на неутрона и неговият магнитен момент са противоположни. Магнитният момент на протона е положителен и равен на μ Р≈ 2,793μ отрова. Посоката му съвпада с посоката на въртене на протона.

Разпределението на електрическия заряд на протоните върху ядрото обикновено е асиметрично. Мярката за отклонение на това разпределение от сферично симетрично е квадруполен електричен момент на ядрото Q. Ако се приеме, че плътността на заряда е еднаква навсякъде, тогава Qсе определя само от формата на ядрото. И така, за елипсоид на революцията

,

(9.1.5)

Където b– полуос на елипсоида по посока на въртене, А– полуос в перпендикулярна посока. За ядро, удължено по посока на въртене, b > АИ Q> 0. За сърцевина, сплескана в тази посока, b < аИ Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = аИ Q= 0. Това е вярно за ядра със спин, равен на 0 или ħ /2.

За да видите демонстрации, щракнете върху съответната хипервръзка:

Ядреният заряд () определя местоположението на химичния елемент в таблицата на D.I. Менделеев. Числото Z е броят на протоните в ядрото. Cl е зарядът на протона, който е равен по големина на заряда на електрона.

Нека още веднъж подчертаем, че зарядът на ядрото определя броя на положителните елементарни заряди, чиито носители са протоните. И тъй като атомът като цяло е неутрална система, зарядът на ядрото също определя броя на електроните в атома. И помним, че електронът има отрицателен елементарен заряд. Електроните в атома са разпределени според енергийни черупкии подобвивки в зависимост от броя им; следователно зарядът на ядрото оказва значително влияние върху разпределението на електроните между техните състояния. Химичните свойства на атома зависят от броя на електроните на последното енергийно ниво. Оказва се, че зарядът на ядрото определя химичните свойства на веществото.

В момента е обичайно да се обозначават различни химични елементи, както следва: където X е символът на химичния елемент в периодичната таблица, което съответства на таксата.

Елементи, които имат еднакъв Z, но различни атомни маси (A) (това означава, че ядрото има същия брой протони, но различен брой неутрони) се наричат ​​изотопи. Така водородът има два изотопа: 1 1 H-водород; 2 1 Н-деутерий; 3 1 Н-тритий

Има стабилни и нестабилни изотопи.

Ядра с еднакви маси, но различни заряди се наричат ​​изобари. Изобарите се намират главно сред тежки ядра и по двойки или триади. Например и.

Моузли е първият, който индиректно измерва ядрения заряд през 1913 г. Той установява връзка между честотата на характерното рентгеново лъчение () и ядрения заряд (Z):

където C и B са константи, независими от елемента за разглежданата серия от излъчвания.

Ядреният заряд е директно определен от Чадуик през 1920 г., докато изучава разсейването на атомните ядра на хелий върху метални филми.

Състав на ядрото

Ядрото на водородния атом се нарича протон. Масата на протона е равна на:

Ядрото се състои от протони и неутрони (наричани заедно нуклони). Неутронът е открит през 1932 г. Масата на неутрона е много близка до масата на протона. Неутронът няма електрически заряд.

Сумата от броя на протоните (Z) и броя на неутроните (N) в ядрото се нарича масово число A:

Тъй като масите на неутрона и протона са много близки, всяка от тях е равна на почти една атомна единица маса. Масата на електроните в един атом е много по-малка от масата на ядрото, така че се смята, че масовото число на ядрото е приблизително равно на относителната атомна маса на елемента, ако се закръгли до най-близкото цяло число.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

ОСНОВЕН ЗАРЯД

Законът на Моузли.Електрическият заряд на ядрото се формира от протоните, които съставляват неговия състав. Брой протони Зте го наричат ​​такса, което означава това абсолютна стойностядреният заряд е равен Зе.Ядреният заряд съвпада със серийния номер Зелемент в периодичната таблица на елементите на Менделеев. Зарядите на атомните ядра са определени за първи път от английския физик Моузли през 1913 г. Чрез измерване на дължината на вълната с помощта на кристал λ характерно рентгеново лъчение за атоми на определени елементи, Моузли открива закономерна промяна в дължината на вълната λ за елементи, следващи един след друг в периодичната таблица (фиг. 2.1). Моузли тълкува това наблюдение като зависимост λ от някаква атомна константа З, вариращ с единица от елемент до елемент и равен на единица за водорода:

където и са константи. От експерименти върху разсейването на рентгенови кванти от атомни електрони и α -частици от атомни ядра, вече беше известно, че зарядът на ядрото е приблизително равен на половината от атомната маса и следователно е близо до атомния номер на елемента. Тъй като излъчването на характеристично рентгеново лъчение е следствие от електрическите процеси в атома, Моузли заключава, че атомната константа, открита в неговите експерименти, която определя дължината на вълната на характеристичното рентгеново лъчение и съвпада с атомния номер на елемента, може да бъде само зарядът на атомното ядро ​​(закон на Моузли).

Ориз. 2.1. Рентгенови спектри на атоми на съседни елементи, получени от Моузли

Измерването на дължините на рентгеновите вълни се извършва с голяма точност, така че въз основа на закона на Моузли принадлежността на атома към химичен елемент се установява абсолютно надеждно. В същото време фактът, че константата Зв последното уравнение е зарядът на ядрото, въпреки че е обоснован от косвени експерименти, в крайна сметка почива на постулат - законът на Моузли. Следователно, след откритието на Моузли, ядрените заряди са многократно измервани в експерименти с разсейване α -частици по закона на Кулон. През 1920 г. Чадвиг подобрява техниката за измерване на съотношението на разпръснатото α -частици и получиха зарядите на ядрата на атомите на медта, среброто и платината (виж таблица 2.1). Данните на Чадвиг не оставят никакво съмнение относно валидността на закона на Моузли. Освен тези елементи, експериментите определят и зарядите на ядрата на магнезий, алуминий, аргон и злато.

Таблица 2.1. Резултати от експериментите на Чадуик

Дефиниции.След откритието на Моузли става ясно, че основната характеристика на атома е зарядът на ядрото, а не неговата атомна маса, както приемат химиците от 19 век, тъй като зарядът на ядрото определя броя на атомните електрони и следователно химичните свойства на атомите. Причината за различията между атомите на химичните елементи е именно в това, че техните ядра имат различен брой протони в състава си. Напротив, различен брой неутрони в ядрата на атомите с еднакъв брой протони не променя по никакъв начин химичните свойства на атомите. Наричат ​​се атоми, които се различават само по броя на неутроните в ядрата си изотопихимически елемент.