Строение атомного ядра (протон, нейтрон, электрон). Атом

Все физические тела природы построены из разновидности материи, называемой веществом. Вещества подразделяются на две основные группы - вещества простые и сложные.

Сложными веществами называются такие вещества, которые путем химических реакций могут быть разложены на другие, более простые вещества. В отличие от сложных простыми веществами называются такие, которые химическим путем не могут быть разложены на еще более простые вещества.

Примером сложного вещества может служить вода, которая путем химической реакции может быть разложена на два других, более простых вещества - водород и кислород. Что же касается последних двух, то они химическим путем уже не могут быть разложены на более простые вещества, а поэтому являются простыми веществами, или, иначе, химическими элементами.

В первой половине XIX века в науке существовало предположение, что химические элементы являются неизменными веществами, не имеющими общей связи друг с другом. Однако русский ученый Д. И. Менделеев (1834 - 1907) впервые в 1869 г. выявил связь химических элементов, показав, что качественная характеристика каждого из них находится в зависимости от его количественной характеристики - атомного веса.

Изучая свойства химических элементов, Д. И. Менделеев подметил, что свойства их периодически повторяются в зависимости от их атомного веса. Эту периодичность он отобразил в форме таблицы, вошедшей в науку под названием «Периодическая система элементов Менделеева».

Ниже приведена современная периодическая таблица химических элементов Менделеева.

Атомы

Согласно современным представлениям науки каждый химический элемент состоит из совокупности мельчайших материальных (вещественных) частиц, называемых атомами.

Атомом называется самая малая доля химического элемента, которая уже не может быть разложена химическим путем на другие, более мелкие и простые материальные частицы.

Атомы различных по своей природе химических элементов отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, структурой, размерами, массой, атомным весом, собственной энергией и некоторыми иными свойствами. Например, атом водорода резко отличается по своим свойствам и структуре от атома кислорода, а последний - от атома урана и т. д.

Установлено, что атомы химических элементов чрезвычайно малы по своим размерам. Если условно принять, что атомы имеют шарообразную форму, то поперечники их должны быть равны стомиллионным долям сантиметра. Например, поперечник атома водорода - самого маленького атома в природе - равен одной стомиллионной доле сантиметра (10 -8 см), а поперечники самых больших атомов, например атома урана, не превышают трех стомиллионных долей сантиметра (3 · 10 -8 см). Следовательно, атом водорода во столько раз меньше шарика радиусом в один сантиметр, во сколько последний меньше земного шара.

В соответствии с весьма малыми размерами атомов их масса также очень мала. Например, масса атома водорода равна т = 1,67· 10 -24 г. Это значит, что в одном грамме водорода содержится примерно 6 · 10 23 атомов.

За условную единицу измерения атомных весов химических элементов принята 1/16 часть веса атома кислорода, В соответствии с этим атомным весом химического элемента называют отвлеченное число, показывающее, во сколько раз вес данного химического элемента больше 1/16 части веса атома кислорода.

В периодической таблице элементов Д. И. Менделеева приведены атомные веса всех химических элементов (см. число, помещенное под названием элемента). Из этой таблицы мы видим, что наиболее легким атомом является атом водорода, имеющий атомный вес 1,008. Атомный вес углерода равен 12, кислорода - 16 и т. д.

Что же касается более тяжелых химических элементов, то их атомный вес превышает атомный вес водорода более чем в двести раз. Так, атомный вер ртути равен 200,6, радия - 226 и т.д.Чем выше порядок номера, занимаемого химическим элементом в периодической системе элементов, тем больше атомный вес.

Большая часть атомных весов химических элементов выражается дробными числами. Это в известной мере объясняется тем, что такие химические элементы состоят из совокупности скольких сортов атомов, обладающих различными атом весами, но одинаковыми химическими свойствами.

Химические элементы, занимающие один вый номер в периодической системе элементов, а следовательно, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но различными атомными весами, называются изотопами.

Изотопы найдены у большинства химических элементов, имеет два изотопа, кальций - четыре, цинк - пять, олово - одиннадцать и т. д. Многие изотопы получены искусстве путем, среди них некоторые имеют большое практическое значение.

Элементарные частицы вещества

Долгое время считалось, что атомы химических элем являются пределом делимости вещества, т. е. как бы элементарными "кирпичиками" мироздания. Современная наука отвергла эту гипотезу, установив, что атом любого химического эле представляет собой совокупность еще более мелких материальных частиц, чем сам атом.

Согласно электронной теории строения вещества атом любого химического элемента представляет собой систему, состоящую из центрального ядра, вокруг которого вращаются "элементарные" вещественные частицы, называемые электронами. Ядра атомов, согласно общепринятым взглядам состоят из совокупности "элементарных" вещественных частиц - протонов и нейтронов.

Чтобы понять строение атомов и физико-химические процессы в них, необходимо хотя бы вкратце ознакомиться с основными характеристиками элементарных частиц, входящих в состав атомов.

Установлено, что электрон - это вещественная частица, обладающая самым малым наблюдаемым в природе отрицательным электрическим зарядом .

Если условно считать, что электрон как частица имеет шарообразную форму, то поперечник электрона должен быть равным 4 · 10 -13 см, т. е. он меньше поперечника любого атома в десятки тысяч раз.

Электрон, как и всякая иная вещественная частица, обладает массой. "Масса покоя" электрона, т. е. та масса, которой он обладает в состоянии относительного покоя, равна m о = 9,1 · 10 -28 г.

Исключительно малая "масса покоя" электрона свидетельствует о том, что инертные свойства электрона проявляются исключительно слабо, а это значит, что электрон под влиянием переменной электрической силы может колебаться в пространстве с частотой во много миллиардов периодов в секунду.

Масса электрона настолько мала, что для получения одного грамма электронов их потребовалось бы взять 1027 единиц. Чтобы иметь хотя бы некоторое физическое представление об этом колоссально большом числе, приведем такой пример. Если бы можно было один грамм электронов расположить на прямой линии вплотную друг к другу, то они образовали бы цепочку длиной в четыре миллиарда километров.

Масса электрона, как и всякой иной вещественной микрочастицы, зависит от скорости его движения. Электрон, находясь в состоянии относительного покоя, обладает "массой покоя", имеющей механическую природу, как и масса всякого физического тела. Что же касается "массы движения" электрона, увеличивающейся с ростом скорости его движения, то она электромагнитного происхождения. Она обусловлена наличием у движущегося электрона электромагнитного поля как некоторого вида материи, обладающего массой и электромагнитной энергией.

Чем быстрее движется электрон, тем больше проявляются инерционные свойства его электромагнитного поля, тем, следовательно, больше масса последнего и соответственно электромагнитная энергия его. Так как электрон со своим электромагнитным полем составляет единую, органически связанную материальную систему, то естественно, что массу движения электромагнитного поля электрона можно непосредственно приписать самому электрону.

Электрон, помимо свойств частицы, обладает и волновыми свойствами. Опытом установлено, что поток электронов, подобно световому потоку, распространяется в форме волнообразного движения. Характер волнового движения электронного потока в пространстве подтверждается явлениями интерференции и дифракции электронных волн.

Интерференция электронов - это явление наложения электронных воли друг на друга, а дифракция электронов - это явление огибания электронными волнами краев узкой щели, сквозь которую проходит электронный поток. Следовательно, электрон - это не просто частица, а "частица-волна", длина которой зависит от массы и скорости движения электрона.

Установлено, что электрон, помимо своего поступательного движения, совершает еще и вращательное движение вокруг своей оси. Этот вид движения электрона получил название "спина" (от английского слова "спин" - веретено). В результате такого движения электрон, кроме электрических свойств, обусловленных электрическим зарядом, приобретает еще и магнитные свойства, напоминая в этом отношении элементарный магнитик.

Протон - это вещественная частица, обладающая положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине электрическому заряду электрона.

Масса протона равна 1,67 · 10 -24 г, т. е. она примерно в 1840 раз больше "массы покоя" электрона.

В отличие от электрона и протона, нейтрон не обладает электрическим зарядом, т. е. он является электронейтральной «элементарной» частицей вещества. Масса нейтрона практически равна массе протона.

Электроны, протоны и нейтроны, находясь в составе атомов, взаимодействуют друг с другом. В частности, электроны и протоны взаимно притягиваются друг к другу как частицы, обладающие разноименными электрическими зарядами. Одновременно с этим электрон от электрона и протон от протона отталкиваются как частицы, обладающие одноименными электрическими зарядами.

Взаимодействие всех этих электрически заряженных частиц происходит через их электрические поля. Эти поля представляют собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон обладает строго определенным присущим ему количеством энергии (квантом энергии).

Взаимодействие электрически заряженных материальных вещественных частиц осуществляется путем обмена их друг с другом фотонами. Сила взаимодействия электрически заряженных частиц обычно называется электрической силой .

Нейтроны и протоны, находящиеся в ядрах атомов, также взаимодействуют друг с другом. Однако это взаимодействие их осуществляется уже не через электрическое поле, так как нейтрон - электронейтральная частица вещества, а через так называемое ядерное поле .

Это поле также представляет собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых мезонами . Взаимодействие нейтронов и протонов осуществляется путем обмена их друг с другом мезонами. Сила взаимодействия нейтронов и протонов друг с другом называется ядерной силой .

Ядерные силы значительно превосходят по своей величине электрические силы взаимного отталкивания протонов в ядре атома. Это приводит к тому, что они в состоянии не только преодолеть внутри ядер атомов силы взаимного отталкивания протонов, но и создать из совокупности протонов и нейтронов весьма прочные системы ядер.

Устойчивость ядра каждого атома зависит от соотношения двух противоречивых сил - ядерных (взаимное притяжение протонов и нейтронов) и электрических (взаимное отталкивание протонов).

Мощные ядерные силы, действующие в ядрах атомов, способствуют превращению нейтронов и протонов друг в друга. Эти взаимопревращения нейтронов и протонов осуществляются в результате выделения или поглощения ими более легких элементарных частиц, например мезонов.

Рассмотренные нами частицы названы элементарными потому, что они не состоят из совокупности других, более простых частиц материи. Но в то же время не надо забывать, что они способны превращаться друг в друга, возникать за счет друг друга. Таким образом, эти частицы являются некоторыми сложными образованиями, т. е. их элементарность условна.

Химическое строение атомов

Простейшим по своему устройству атомом является атом водорода. Он состоит из совокупности только двух элементарных частиц - протона и электрона. Протон в системе атома водорода играет роль центрального ядра, вокруг которого по некоторой орбите вращается электрон. На рис. 1 схематически показана модель атома водорода.

Рис. 1. Схема строения атома водорода

Эта модель - только грубое приближение к действительности. Дело в том, что электрон как "частица-волна" не обладает резко отграниченным от внешней среды объемом. А это значит, что следует говорить не о некоторой точной линейной орбите электрона, а о своеобразном электронном облачке. При этом электрон чаще всего занимает некоторую среднюю линию облачке, являющуюся одной из возможных орбит его в атоме.

Надо сказать, что и сама орбита электрона не является строга неизменной и неподвижной в атоме - она тоже в силу изменения массы электрона совершает некоторое вращательное движение. Следовательно, движение электрона в атоме носит относительно сложный характер. Так как ядро атома водорода (протон) и вращающийся вокруг него электрон обладают разноименными электрическими зарядами, то они взаимно притягиваются.

Одновременно с этим стой энергии электрон, вращаясь вокруг ядра атома, развивает центробежную силу, стремящуюся удалить его от ядра. Следовательно, электрическая сила взаимного притяжения ядра атома и электрона и центробежная сила, действующая на электрон, - силы противоречивые.

При равновесии их электрон занимает относительно устойчивое положение на некоторой орбите в атоме. Так как масса электрона очень мала, то для уравновешивания силы притяжения к ядру атома он должен вращаться с громадной скоростью, равной примерно 6· 10 15 оборотам в секунду. Это значит, что электрон в системе атома водорода, как и всяком ином атоме, движется по своей орбите с линейной скоростью, превышающей тысячу километров в секунду.

В нормальных условиях электрон вращается в атоме рода по наиболее близко расположенной к ядру орбите. При этом он обладает минимальным возможным количеством энергии. Если же по тем или иным причинам, например под воздействием каких-либо иных материальных частиц, вторгнувшихся систему атома, электрон перейдет на более удаленную от атома орбиту, то он уже будет обладать несколько большим количеством энергии.

Однако на этой новой орбите электрон но пребывает ничтожно малое время, после чего он снова вращается на ближайшую к ядру атома орбиту. При этом ходе он отдает излишек своей энергии в виде кванта эле магнитного излучения - лучистой энергии (рис. 2).

Рис. 2. Электрон при переходе с далекой орбиты на более близкую к ядру атома излучает квант лучистой энергии

Чем больше получает извне энергии электрон, тем на удаленную от ядра атома орбиту он переходит и тем большее количество электромагнитной энергии он излучает, когда вращается на ближайшую к ядру орбиту.

Измеряя количество энергии, излучаемой электроном при переходе с различных орбит на ближайшую к ядру атома, удалось установить, что электрон в системе атома водорода, как и в системе любого иного атома, может переходить не на любую произвольную орбиту, на строго определенную в соответствии с той энергией, которую он получает под действием внешней силы. Орбиты, которые может занимать электрон в атоме, называются дозволенными орбитами.

Так как положительный заряд ядра атома водорода (заряд протона) и отрицательный заряд электрона численно равны, то суммарный их заряд равен нулю. Это значит, что атом водорода, находясь в нормальном состоянии, является электронейтральной частицей.

Это справедливо для атомов всех химических элементов: атом любого химического элемента, находящийся в нормальном со стоянии, является электронейтральной частицей из-за численного равенства его положи тельных и отрицательных зарядов.

Поскольку в состав ядра атома водорода входит только одна "элементарная" частица - протон, то так называемое массовое число этого ядра равно единице. Массовым числом ядра атома любого химического элемента называется общее число протонов и нейтронов входящих в состав этого ядра.

Природный водород в основном состоит из совокупности атомов с массовым числом, равным единице. Однако в составе его имеется и другой сорт атомов водорода, с массовым числом равным двум. Ядра атомов этого тяжелого водорода называемые дейтонами, состоят из двух частиц - протона и нейтрона. Этот изотоп водорода называется дейтерием.

В природном водороде дейтерия содержится весьма незначительное количество. На каждые шесть тысяч атомов легкого водорода (массовое число равно единице) приходится только один атом дейтерия (тяжелого водорода). Существует еще один изотоп водорода - сверхтяжелый водород получивший название тритий. В ядрах атома этого изотопе водорода имеются три частицы: протон и два нейтрона, связанных друг с другом ядерными силами. Массовое число ядра атома трития равно трем, т. е. атом трития в три раза тяжелей атома легкого водорода.

Хотя атомы изотопов водорода и имеют различные массы но все же они обладают одинаковыми химическими свойствами, Например, легкий водород, вступая в химическое взаимодействие с кислородом, образует с ним сложное вещество - воду. Аналогично этому изотоп водорода - дейтерий, соединяясь с кислородом, образует воду, которая в отличие от обычной воды называется тяжелой водой. Тяжелая вода находит большое применение в процессе производства ядерной (атомной) энергии.

Следовательно, химические свойства атомов зависят не от массы их ядер, а только от строения электронной оболочки атома. Поскольку в атомах легкого водорода, дейтерия и трития имеется одинаковое количество электронов (по одному на каждый атом), эти изотопы имеют одинаковые химические свойства.

Химический элемент водород не случайно занимает первый номер в периодической системе элементов. Дело в том, что между номером любого элемента в периодической системе элементов и величиной заряда ядра атома этого элемента существует некоторая связь. Ее можно сформулировать так: порядковый номер всякого химического элемента в периодической системе элементов численно равен положительному заряду ядра этого элемента, а следовательно, и числу вращающихся вокруг него электронов.

Так как водород занимает первый номер в периодической системе элементов, то это значит, что положительный заряд ядра его атома равен единице и что вокруг ядра вращается один электрон.

Химический элемент гелий занимает второй номер в периодической системе элементов. Это значит, что он имеет положительный электрический заряд ядра, равный двум единицам, т. е. в составе его ядра должно быть два протона, а в электронной оболочке атома - два электрода.

Природный гелий состоит из двух изотопов - тяжелого и легкого гелия. Массовое число тяжелого гелия равно четырем. Это значит, что в состав ядра атома тяжелого гелия, помимо вышеупомянутых двух протонов, должны входить еще два нейтрона. Что же касается легкого гелия, то его массовое число равно трем, т. е. в состав его ядра, помимо двух протонов, должен входить еще один нейтрон.

Установлено, что в природном гелии число атомов легкого гелия составляет примерно одну миллионную долю атомов тяжелого гения. На рис. 3 показана схематически модель атома гелия.

Рис. 3. Схема строения атома гелия

Дальнейшее усложнение строения атомов химических элементов идет за счет увеличения количества протонов и нейтронов в ядрах этих атомов и одновременно за счет увеличения количества электронов, вращающихся вокруг ядер (рис. 4). Пользуясь периодической системой элементов, легко определить число электронов, протонов и нейтронов входящих в состав различных атомов.

Рис. 4. Схемы строения ядер атомов: 1 - гелий, 2 - углерод, 3 - кислород

Порядковый номер химического элемента равен числу протонов, находящихся в ядре атома, а одновременно с этим числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Что же касается атомного веса, то он приближенно равен массовому числу атома, т. е. числу вместе взятых протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, вычитая из атомного веса элемента число, равное порядковому номеру элемента, можно определить, какое количество нейтронов содержится в данном ядре.

Установлено, что ядра легких химических элементов, имеющих в своем составе поровну протонов и нейтронов, отличаются весьма большой прочностью, так как ядерные силы в них относительно велики. Например, ядро атома тяжелого гелия отличается исключительно большой прочностью, так как оно составлено из двух протонов и двух нейтронов, связанных друг с другом мощными ядерными силами.

Ядра атомов более тяжелых химических элементов содержат в своем составе уже неодинаковое количество протонов и нейтронов, поэтому их связь в ядре слабее, чем в ядрах легких химических элементов. Ядра этих элементов могут быть относительно легко расщеплены при бомбардировке их атомными «снарядами» (нейтронами, ядрами атома гелия и т. д.).

Что же касается наиболее тяжелых химических элементов, в частности радиоактивных, то их ядра отличаются настолько малой прочностью, что они самопроизвольно распадаются на составные части. К примеру, атомы радиоактивного элемента радия, состоящего из совокупности 88 протонов и 138 нейтронов, самопроизвольно распадаются, превращаясь в атомы радиоактивного элемента радона. Атомы же последнего в свою очередь распадаются на составные части, переходя в атомы других элементов.

Ознакомившись вкратце с составными частями ядер атомов химических элементов, рассмотрим строение электронных оболочек атомов. Как известно, электроны могут вращаться вокруг ядер атомов только по строго определенным орбитам. При этом они так сгруппированы в электронной оболочке каждого атома, что можно различить отдельные слои электронов.

В каждом слое может находиться количество электронов, не превышающее строго определенного числа. Так, например, в первом, ближайшем к ядру атома электронном слое может находиться максимум два электрона, во втором - не более восьми электронов и т. д.

Те атомы, у которых внешние электронные слои целиком заполнены, имеют наиболее устойчивую электронную оболочку. Это значит, что данный атом прочно держит все свои электроны и не нуждается в получении извне добавочного количества их. Например, атом гелия имеет два электрона, целиком заполняющих первый электронный слой, а атом неона имеет десять электронов, из которых первые два целиком заполняют первый электронный слой, а остальные - второй (рис. 5).

Рис. 5. Схема строения атома неона

Следовательно, атомы гелия и неона имеют вполне устойчивые электронные оболочки, не стремятся их как-нибудь видоизменить количественно. Такие элементы химически инертны, т. е. не вступают в химическое взаимодействие с другими элементами.

Однако большинство химических элементов имеет такие атомы, в которых внешние электронные слои не целиком заполнены электронами. Например, атом калия имеет девятнадцать электронов, из которых восемнадцать целиком заполняют первые три слоя, а девятнадцатый электрон один находится в следующем, незаполненном электронном слое. Слабое заполнение электронами четвертого электронного слоя приводит к тому, что ядро атома весьма слабо удерживает самый внешний - девятнадцатый электрон, а поэтому последний может быть легко вырван из атома. .

Или, например, атом кислорода имеет восемь электронов, из которых два целиком заполняют первый слой, а остальные шесть размещены во втором слое. Таким образом, для полного завершения построения второго электронного слоя в атоме кислорода ему не хватает только двух электронов. Поэтому атом кислорода не только прочно удерживает свои шесть электронов во втором слое, но и обладает возможностью притянуть к себе два недостающих ему электрона для заполнения своего второго электронного слоя. Этого он достигает путем химического соединения с атомами таких элементов, у которых внешние электроны слабо связаны со своими ядрами.

Химические элементы, атомы которых не имеют целиком заполненных электронами внешних электронных слоев, как правило, химически активны, т. е. охотно вступают в химическое взаимодействие.

Итак, электроны в атомах химических элементов располагаются в строго определенном порядке и всякое изменение их пространственного расположения или количества в электронной оболочке атома приводит к изменению физико-химических свойств последнего.

Равенство числа электронов и протонов в системе атома является причиной того, что суммарный электрический заряд его равен нулю. Если равенство числа электронов и протонов в системе атома нарушается, то атом становится электрически заряженной системой.

Атом, в системе которого нарушено равновесие разноименных электрических зарядов вследствие того, что он потерял часть своих электронов или, наоборот, приобрел лишнее количество их, называется ионом.

Наоборот, если атом приобретает некоторое лишнее количество электронов, то он становится отрицательным ионом. Например, атом хлора, получивший один лишний электрон, превращается в однозарядный отрицательный ион хлора Сl - . Атом кислорода, получивший лишних два электрона, превращается в двухзарядный отрицательный ион кислорода О и т. д.

Атом, превратившийся в ион, становится по отношению к внешней среде электрически заряженной системой. А это значит, что атом стал обладать электрическим полем, вместе с которым он составляет единую материальную систему и через это поле осуществляет электрическое взаимодействие с другими электрически заряженными частицами вещества - ионами, электронами, положительно заряженными ядрами атомов и т. д.

Способность разноименных ионов взаимно притягиваться друг к другу является причиной того, что они химически соединяются, образуя более сложные частицы вещества - молекулы.

В заключение следует отметить, что размеры атома очень велики по сравнению с размерами тех вещественных частиц, из которых они состоят. Ядро самого сложного атома вместе со всеми электронами занимает миллиардную долю объема атома. Простой подсчет показывает, что если бы удалось один кубический метр платины сжать так крепко, чтобы исчезли внутриатомные и междуатомные пространства, то получился бы объем, равный примерно одному кубическому миллиметру.

Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.

Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.

Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)

1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.

2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.

3. Суммарное число протонов и нейтронов - значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует - массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.

Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z , называются изобарами . Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов

4. Число нейтронов в ядре N может быть найдено по разности между массовым числом (А ) и порядковым номером (Z ):

5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра , имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.

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.

Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.

Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.

При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная

называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.

Удельной энергией связи ядра w свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w св= . Величина w свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.

Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А = const).

Ядерные силы

1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы , не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).

2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил .

3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость : притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах . Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия тяжелого водорода трития - .

4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.

Радиоактивность, g -излучение, a и b - распад

1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.

2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.

3. Альфа-распадом называется испускание ядрами некоторых химических элементов a - частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А >200 и зарядами ядер Z >82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы (правило Содди – Фаянса):

4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват .

b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.

При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().

.

При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):

5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.

6. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.

7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.

Атомы - мельчайшие частицы вещества.
Если увеличить до размеров Земного шара яблоко средней величины, то атомы станут размером всего лишь с яблоко. Несмотря на столь малые размеры, атом состоит из еще более мелких физических частиц.
Со строением атома вы должны быть уже знакомы из школьного курса физики. И все-таки напомним, что в составе атома есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг ядра так быстро, что становятся неразличимыми - образуют "электронное облако", или электронную оболочку атома.

Электроны принято обозначать так: e − . Электроны e − очень легкие, почти невесомые, но зато имеют отрицательный электрический заряд. Он равен −1. Электрический ток, которым все мы пользуемся - это поток электронов, бегущий в проводах.

Ядро атома , в котором сосредоточена почти вся его масса, состоит из частиц двух сортов - нейтронов и протонов.

Нейтроны обозначают так: n 0 , а протоны так: p + .
По массе нейтроны и протоны почти одинаковы - 1,675 · 10 −24 г и 1,673 · 10 −24 г.
Правда, считать массу таких маленьких частиц в граммах очень неудобно, поэтому ее выражают в углеродных единицах , каждая из которых равна 1,673 · 10 −24 г.
Для каждой частицы получают относительную атомную массу , равную частному от деления массы атома (в граммах) на массу углеродной единицы. Относительные атомные массы протона и нейтрона равны 1, а вот заряд у протонов положительный и равен +1, в то время как у нейтронов заряда нет.

. Загадки про атом

Атом можно собрать "в уме" из частиц, как игрушку или машинку из деталей детского конструктора. Надо только при этом соблюдать два важных условия.

• Первое условие : каждому виду атомов соответствует свой собственный набор "деталей" - элементарных частиц . Например, в атоме водорода обязательно будет ядро с положительным зарядом +1, значит, в нем непременно должен быть один протон (и не больше).
  В атоме водорода могут быть и нейтроны. Об этом - в следующем параграфе .
  Атом кислорода (порядковый номер в Периодической системе равен 8) будет иметь ядро, заряженное восемью положительными зарядами (+8), - значит, там восемь протонов. Поскольку масса атома кислорода равна 16 относительных единиц, чтобы получить ядро кислорода, добавим еще 8 нейтронов.
• Второе условие состоит в том, чтобы каждый атом оказался электронейтральным . Для этого в нем должно быть электронов столько, чтобы уравновесить заряд ядра. Иначе говоря, число электронов в атоме равно числу протонов в его ядре, а также порядковому номеру этого элемента в Периодической системе .

Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов

Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.

Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.

Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)

Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.

ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.

Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)

Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:

Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.

ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).

Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;

Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.

ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)

ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315

He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90

Итого, количество фантомных частичек По до реакции

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393

p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12

Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:

ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.

Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:

213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер

303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции

Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.

Введение

Существующая в настоящее время теория строения атома не дает ответа на многие вопросы, возникающие при проведении различных практических и экспериментальных работ. В частности, до сих пор не определена физическая сущность электрического сопротивления. Поиск высокотемпературной сверхпроводимости может быть успешным только если знать суть электрического сопротивления. Зная строение атома, можно понять суть электрического сопротивления. Рассмотрим строение атома с учетом известных свойств зарядов и магнитных полей. Наиболее близка к реальности и отвечает экспериментальным данным планетарная модель атома, предложенная Резерфордом. Однако эта модель соответствует только атому водорода.

ГЛАВА ПЕРВАЯ

ПРОТОН И ЭЛЕКТРОН

1. ВОДОРОД

Водород является наименьшим из атомов, поэтому его атом должен содержать стабильную основу как атома водорода, так и остальных атомов. Атом водорода — протон и электрон, при этом электрон вращается вокруг протона. Считается, что заряды электрона и протона — единичные заряды, т. е. минимальные. Представление об электроне как о вихревом кольце с переменным радиусом было введено В. Ф. Миткевичем (Л. 1). Последующие работы Ву и некоторых других физиков показали, что электрон ведет себя подобно вращающемуся вихревому кольцу, спин которого направлен вдоль оси его движения, т. е. то, что электрон — вихревое кольцо, было подтверждено экспериментально. В состоянии покоя электрон, вращаясь вокруг своей оси, магнитных полей не создает. Только при движении электрон образует магнитные силовые линии.

Если заряд протона распределен по поверхности, то, вращаясь вместе с протоном, он будет вращаться вокруг только своей собственной оси. В этом случае, как и электрон, заряд протона не будет образовывать магнитное поле.

Экспериментально установлено, что протон имеет магнитное поле. Для того чтобы протон имел магнитное поле, его заряд должен быть в виде пятна на его поверхности. В этом случае при вращении протона его заряд будет двигаться по окружности, т. е. иметь линейную скорость, что необходимо для получения магнитного поля протона.

Кроме электрона существует и позитрон, отличающийся от электрона только тем, что заряд у него положительный, т. е. заряд позитрона равен заряду протона и по знаку, и по величине. Иными словами, положительный заряд протона есть позитрон, но позитрон — античастица электрона и, следовательно, — вихревое кольцо, которое не может растекаться по всей поверхности протона. Таким образом, заряд протона — позитрон.

При движении электрона, имеющего отрицательный заряд, позитрон протона под действием кулоновских сил должен находиться на поверхности протона на минимальном расстоянии от электрона (Рис. 1). Таким образом, образуется пара противоположных зарядов, связанных между собой максимальной кулоновской силой. Именно потому, что заряд протона — позитрон, его заряд равен электрону по абсолютной величине. Когда весь заряд протона взаимодействует с зарядом электрона, то и нет «лишнего» заряда протона, который бы создавал электрические отталкивающие силы между протонами.

При движении электрона вокруг протона в направлении, указанном на рис. 1, положительный заряд двигается синхронно с ним благодаря кулоновской силе. Движущиеся заряды образуют вокруг себя магнитные поля (Рис. 1). При этом вокруг электрона образуется магнитное поле против часовой стрелки, а вокруг позитрона — магнитное поле по часовой стрелке. В результате между зарядами образуется суммарное поле от двух зарядов, которое препятствует «падению» электрона на протон.

На всех рисунках протоны и нейтроны изображены в виде шаров для упрощения изображения. В действительности они должны быть в виде тороидальных вихревых образований эфира (Л. 3).

Таким образом, атом водорода имеет вид согласно рис. 2 а ). Форма магнитного поля у атома соответствует торообразному магниту с намагниченностью по оси вращения зарядов (Рис. 2 б ).

Еще в 1820 г. Ампер открыл взаимодействие токов — притяжение параллельных проводников с током, текущим в одном направлении. Позднее экспериментально определили, что одноимённые электрические заряды, двигаясь в одном направлении, притягиваются друг к другу (Л. 2).

О том, что заряды должны сближаться, т. е. притягиваться друг к другу, свидетельствует и пинч-эффект. Пинч-эффект — это эффект самостягивания разряда, свойство электрического токового канала в сжимаемой проводящей среде уменьшать своё сечение под действием собственного, порождаемого самим током, магнитного поля (Л. 4).

Так как электрический ток — всякое упорядоченное движение электрических зарядов в пространстве, то траектории электронов и позитронов протонов — это токовые каналы, способные сближаться под действием магнитного поля, порождаемого самими зарядами.

Следовательно, при соединении двух атомов водорода в молекулу одноимённые заряды объединятся в пары и будут продолжать вращение в том же направлении, но уже между протонами, что приведёт к объединению их полей.

Сближение электронов и протонов происходит до момента, когда сила отталкивания одноимённых зарядов станет равной силе, стягивающей заряды от двойного магнитного поля.

На рис. 3 а), б), и в) показано взаимодействие зарядов электрона и протона атомов водорода при соединении их в молекулу водорода.

На рис. 4 изображена молекула водорода с магнитными силовыми линиями, образованными генераторами полей двух атомов водорода. Т. е. молекула водорода имеет один сдвоенный генератор поля и общий магнитный поток, больший в 2 раза.

Мы рассмотрели, как происходит соединение водорода в молекулу, но молекула водорода с другими элементами в реакцию не вступает даже в смеси с кислородом.

Теперь рассмотрим, как происходит разделение молекулы водорода на атомы (Рис. 5). При взаимодействии молекулы водорода с электромагнитной волной электрон приобретает дополнительную энергию, и это выводит электроны на орбитальные траектории (Рис. 5 г ).

Сегодня известны сверхпроводники, которые имеют нулевое электрическое сопротивление. Эти проводники состоят из атомов и могут быть сверхпроводниками только в том случае, если их атомы — сверхпроводники, т. е. и протон тоже. Давно известна левитация сверхпроводника над постоянным магнитом, обусловленная наведением постоянным магнитом в нем тока, магнитное поле которого направлено навстречу полю постоянного магнита. При снятии внешнего поля со сверхпроводника ток в нём исчезает. Взаимодействие протонов с электромагнитной волной приводит к тому, что на их поверхностях наводятся вихревые токи. Так как протоны расположены рядом друг с другом, вихревые токи направляют магнитные поля навстречу друг другу, что увеличивает токи и их поля до разрыва молекулы водорода на атомы (Рис. 5 г ).

Выход электронов на орбитальные траектории и возникновение токов, разрывающих молекулу, происходят одновременно. При отлёте атомов водорода друг от друга вихревые токи исчезают, а электроны остаются на орбитальных траекториях.

Таким образом, на основе известных физических эффектов мы получили модель атома водорода. При этом:

1. Положительные и отрицательные заряды в атоме служат для получения силовых линий магнитных полей, которые, как известно из классической физики, образуются только при движении зарядов. Силовые линии магнитных полей и определяют все внутриатомные, межатомные и молекулярные связи.

2. Весь положительный заряд протона — позитрон — взаимодействует с зарядом электрона, создаёт максимальную кулоновскую силу притяжения для электрона, а равенство зарядов по абсолютной величине исключает у протона наличие отталкивающих сил для соседних протонов.

3. Практически атом водорода представляет собой протонно-электронный магнитный генератор (ПЭМГ), который работает только тогда, когда протон и электрон вместе, т. е. протонно-электронная пара должна быть всегда вместе.

4. При образовании молекулы водорода электроны соединяются в пару и вращаются вместе между атомами, создавая общее магнитное поле, которое удерживает их в паре. Позитроны протонов также соединяются в пару под действием своих магнитных полей и стягивают протоны, образуя молекулу водорода или любую другую молекулу. Соединённые в пару положительные заряды являются главной определяющей силой в молекулярной связи, т. к. позитроны связаны с протонами непосредственно и неотделимы от протонов.

5. Молекулярные связи всех элементов происходят аналогичным образом. Соединение атомов в молекулы других элементов обеспечивается валентными протонами со своими электронами, т. е. валентные электроны участвуют как в соединении атомов в молекулы, так и в разрыве молекулярных связей. Таким образом, каждое соединение атомов в молекулу обеспечивается по одной валентной паре протона с электроном (ВППЭ) от каждого атома на одну молекулярную связь. ВППЭ всегда состоят из протона и электрона.

6. При разрыве молекулярной связи главную роль играет электрон, т. к., выходя на орбитальную траекторию вокруг своего протона, он выдёргивает позитрон протона из пары, находящейся между протонами, на «экватор» протона, обеспечивая этим разрыв молекулярной связи.

7. При образовании молекулы водорода и молекул других элементов образуется двойной ПЭМГ.