Изучая состав вещества, ученые пришли к выводу, что вся материя состоит из молекул и атомов. Долгое время атом (в переводе с греческого "неделимый") считался наименьшей конструкционной единицей вещества. Однако дальнейшие исследования показали, что атом имеет сложное строение и, в свою очередь, включает более мелкие частицы.
Из чего состоит атом?
В 1911 году ученый Резерфорд высказал предположение, что в атоме имеется центральная часть, обладающая положительным зарядом. Так впервые появилось понятие об атомном ядре.
По схеме Резерфорда, названной планетарной моделью, атом состоит из ядра и элементарных частиц с отрицательным зарядом - электронов, движущихся вокруг ядра, подобно тому, как планеты обращаются по орбите вокруг Солнца.
В 1932 году другой ученый, Чедвик, открыл нейтрон - частицу, не имеющую электрического заряда.
Согласно современным представлениям, строение атомного ядра соответствует планетарной модели, предложенной Резерфордом. Ядро несет в себе большую часть атомной массы. Также оно имеет положительный заряд. В атомном ядре находятся протоны - положительно заряженные частицы и нейтроны - частицы, не несущие заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Отрицательно заряженные частицы - электроны - движутся по орбите вокруг ядра.
Количество протонов в ядре равняется числу электронов, движущихся по орбите. Следовательно, сам атом является частицей, не несущей заряда. Если атом захватит чужие электроны или потеряет свои, то он становится положительным или отрицательным и называется ионом.
Электроны, протоны и нейтроны обобщенно называют субатомными частицами.
Заряд атомного ядра
Ядро имеет зарядовое число Z. Оно определяется количеством протонов, входящих в состав атомного ядра. Узнать это количество просто: достаточно обратиться к периодической системе Менделеева. Порядковый номер элемента, которому принадлежит атом, равняется количеству протонов в ядре. Таким образом, если химическому элементу кислороду соответствует порядковый номер 8, то количество протонов тоже будет равняться восьми. Поскольку число протонов и электронов в атоме совпадает, то электронов тоже будет восемь.
Количество нейтронов называют изотопическим числом и обозначают буквой N. Их число может различаться в атоме одного и того же химического элемента.
Сумма протонов и электронов в ядре называется массовым числом атома и обозначается буквой А. Таким образом, формула подсчета массового числа выглядит так: А=Z+N.
Изотопы
В случае, когда элементы имеют равное количество протонов и электронов, но разное число нейтронов, их называют изотопами химического элемента. Изотопов может быть один или несколько. Они помещаются в одну и ту же ячейку периодической системы.
Изотопы имеют большое значение в химии и физике. Например, изотоп водорода - дейтерий - в сочетании с кислородом дает совершенно новую субстанцию, которую называют тяжелой водой. Она имеет иную температуру кипения и замерзания, чем обычная. А сочетание дейтерия с другим изотопом водорода - тритием приводит к термоядерной реакции синтеза и может использоваться для выработки огромного количества энергии.
Масса ядра и субатомных частиц
Размеры и масса атомов и ничтожно малы в представлениях человека. Размер ядер составляется примерно 10 -12 см. Массу атомного ядра измеряют в физике в так называемых атомных единицах массы - а.е.м.
За одну а.е.м. принимают одну двенадцатую часть массы атома углерода. Используя привычные единицы измерения (килограммы и граммы), массу можно выразить следующим равенством: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г. Выраженная таким образом, она называется абсолютной атомной массой.
Несмотря на то, что атомное ядро является самой массивной составляющей атома, его размеры относительно электронного облака, окружающего его, чрезвычайно малы.
Ядерные силы
Атомные ядра являются чрезвычайно устойчивыми. Это значит, что протоны и нейтроны удерживаются в ядре какими-то силами. Это не могут быть электромагнитные силы, поскольку протоны являются одноименно заряженными частицами, а известно, что частицы, обладающие одинаковым зарядом, отталкиваются друг от друга. Гравитационные силы же слишком слабы, чтобы удержать нуклоны вместе. Следовательно, частицы удерживаются в ядре иным взаимодействием - ядерными силами.
Ядерное взаимодействие считается самым сильным из всех существующих в природе. Поэтому данный тип взаимодействия между элементами атомного ядра называют сильным. Оно присутствует у множества элементарных частиц, как и электромагнитные силы.
Особенности ядерных сил
- Короткодействие. Ядерные силы, в отличие от электромагнитных, проявляются лишь на очень малых расстояниях, сопоставимых с размерами ядра.
- Зарядовая независимость. Данная особенность проявляется в том, что ядерные силы действуют одинаково на протоны и нейтроны.
- Насыщение. Нуклоны ядра взаимодействуют лишь с определенным числом других нуклонов.
Энергия связи ядра
С понятием сильного взаимодействия тесно связано другое - энергия связи ядер. Под энергией ядерной связи понимают то количество энергии, которое требуется, чтобы разделить атомное ядро на составляющие его нуклоны. Она равняется энергии, необходимой для формирования ядра из отдельных частиц.
Для вычисления энергии связи ядра необходимо знать массу субатомных частиц. Вычисления показывают, что масса ядра всегда меньше, чем сумма входящих в его состав нуклонов. Дефектом массы называют разницу между массой ядра и суммой его протонов и электронов. При помощи о связи массы и энергии (Е=mc 2) можно вычислить энергию, выработанную при образовании ядра.
О силе энергии связи ядра можно судить по следующему примеру: при образовании нескольких граммов гелия вырабатывается столько же энергии, сколько при сгорании нескольких тонн каменного угля.
Ядерные реакции
Ядра атомов могут взаимодействовать с ядрами других атомов. Такие взаимодействия называются ядерными реакциями. Реакции бывают двух типов.
- Реакции деления. Они происходят, когда более тяжелые ядра в результате взаимодействия распадаются на более легкие.
- Реакции синтеза. Процесс, обратный делению: ядра сталкиваются, тем самым образуя более тяжелые элементы.
Все ядерные реакции сопровождаются выбросом энергии, которая впоследствии используется в промышленности, в военной сфере, в энергетике и так далее.
Ознакомившись с составом атомного ядра, можно сделать следующие выводы.
- Атом состоит из ядра, содержащего протоны и нейтроны, и электронов, находящихся вокруг него.
- Массовое число атома равняется сумме нуклонов его ядра.
- Нуклоны удерживаются сильным взаимодействием.
- Огромные силы, придающие атомному ядру стабильность, называются энергиями связи ядра.
В 20 -х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в 1911 году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:
- открытие явления радиоактивности,
- опытное доказательство ядерной модели атома,
- измерение отношения e m для электрона, α -частицы и для H -частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
- открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
- измерение зарядов атомных ядер и многие другие.
Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона 1907 года. Ученый смог измерить у нее отношение e m .
Определение 1
Э. Резерфордом в 1919 году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона . Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.
Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке 6 . 5 . 1 .
Рисунок 6 . 5 . 1 . Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α -частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М представляет собой микроскоп.
Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером К , в котором находился источник α -частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как Ф , перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее α -частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении 6 . 5 . 1 отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп М , можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.
В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток α -частиц фольгу Ф . Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной 28 с м, что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном H -частиц.
С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.
Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер α -частицы выбивают H -частицы или протоны.
Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду e = 1 , 60217733 · 10 – 19 К л. Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 – 22 . Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.
Определение 2
Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна m p = 1 , 67262 · 10 – 27 к г. В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы (а. е. м.) , равных массы атома углерода с массовым числом 12:
1 а. е. м. = 1 , 66057 · 10 - 27 к г.
Соответственно, m p = 1 , 007276 а. е. м.
Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: E = m c 2 . По причине того, что 1 э В = 1 , 60218 · 10 – 19 Д ж, в энергетических единицах масса протона равняется 938 , 272331 М э В.
Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых α -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.
Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.
В 1920 году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 – 13 с м, электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.
Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии 12 лет, в 1932 году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия α -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.
Рисунок 6 . 5 . 2 . Схема установки для обнаружения нейтронов.
В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием α -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде 10 - 20 сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это γ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия γ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около 50 М э В.
В 1932 Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия α -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.
Определение 3
На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирован счетчик Гейгера , прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.
Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.
Определение 4
Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.
Определение 5
Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона , в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.
Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в 1912 году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.
Доказательство 1
В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось 100 – 150 М э В. Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием γ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии α -частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.
Определение 6
Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.
Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 к г = 1 , 008665 а. е. м.
В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939 , 56563 М э В. Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.
Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.
Определение 7
Протоны и нейтроны принято называть нуклонами .
Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.
Определение 8
Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).
Заряд ядра равен Z e , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .
Определение 9
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A:
Определение понятия изотопа
Ядра химических элементов обозначают символом X Z A , где X – химический символ элемента. Например,
H 1 1 – водород, He 2 4 – гелий, C 6 12 – углерод, O 8 16 – кислород, U 92 238 – уран.
Определение 10
Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами .
Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: H 1 1 – обычный водород, H 1 2 – дейтерий и H 1 3 – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3 .
Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется 12 , 011 .
Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одной элементарной частицы – протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10 -13 – 10 -12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95 – 99,98 %) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см 3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100 – 200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон – элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721х10 -27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66х10 -19 Кл. Кулон – единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть, от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон – это водород, если 26 протонов – это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Н ейтрон – электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х10 -27 кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии – нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой – А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A – Z.
Электрон – элементарная частица, носитель наименьшей массы – 0,91095х10 -27 г и наименьшего электрического заряда – 1,6021х10 -19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом): 17 35 Cl, 17 37 Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами . Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Изотопы обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А – массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32 Р, 33 Р или 15 32 Р и 15 33 Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор – 32, фосфор – 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1 Н-протия, известен тяжелый водород 2 Н-дейтерий и сверхтяжелый водород 3 Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, изотопы углерода 12 С и 14 С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90 Sr, 131 J, 137 Cs.
Вопросы «Из чего состоит материя?», «Какова природа материи?» всегда занимали человечество. Еще с древнейших времен философы и ученые искали ответы на эти вопросы, создавая как реалистичные, так и совершенно удивительные и фантастические теории и гипотезы. Однако буквально столетие назад человечество подошло к разгадке этой тайны максимально близко, открыв атомарную структуру материи. Но каков состав ядра атома? Из чего все состоит?
От теории к реальности
К началу двадцатого века атомарная структура перестала быть только гипотезой, а стала абсолютным фактом. Оказалось, что состав ядра атома - понятие очень сложное. В его состав входят Но возник вопрос: состав атома и включают в себя разное количество этих зарядов или нет?
Планетарная модель
Изначально представляли, что атом построен очень похоже на нашу Солнечную систему. Однако довольно быстро оказалось, что подобное представление не совсем верно. Проблематика чисто механического переноса астрономического масштаба картины в область, которая занимает миллионные доли миллиметра, повлекла за собой существенное и резкое изменение свойств и качеств явлений. Главное различие заключалось в гораздо более жестких законах и правилах, по которым построен атом.
Недостатки планетарной модели
Во-первых, так как атомы одного рода и элемента по параметрам и свойствам должны быть совершенно одинаковы, то и орбиты у электронов этих атомов тоже должны быть одинаковы. Однако законы движения астрономических тел не смогли дать ответы на эти вопросы. Второе противоречие заключается в том, что движение электрона по орбите, если применить к нему хорошо изученные физические законы, должно обязательно сопровождаться перманентным выделением энергии. В результате этот процесс привел бы к истощению электрона, который в конечном итоге затухнул бы и даже упал на ядро.
Волновая структура материи
В 1924 году молодой аристократ Луи де Бройль выдвинул мысль, которая перевернула представления научного сообщества о таких вопросах как состав атомных ядер. Идея заключалась в том, что электрон - это не просто движущийся шарик, который вращается вокруг ядра. Это размытая субстанция, которая движется по законам, напоминающим распространение волн в пространстве. Довольно быстро это представление распространили и на движение любого тела в целом, пояснив, что мы замечаем только одну сторону этого самого движения, а вот вторая фактически не проявляется. Мы можем видеть распространение волн и не заметить движение частицы, либо же наоборот. На самом же деле обе эти стороны движения всегда существуют, и вращение электрона по орбите - это не только перемещение самого заряда, но также и распространение волн. Такой подход кардинально отличается от принятой ранее планетарной модели.
Элементарная основа
Ядро атома - это центр. Вокруг него и вращаются электроны. Свойствами именно ядра обусловлено все остальное. Говорить о таком понятии как состав ядра атома необходимо с самого важного момента - с заряда. В составе атома наблюдается определенное которые несут отрицательный заряд. Само же ядро обладает положительным зарядом. Из этого можно сделать определенные выводы:
- Ядро - это заряженная положительно частица.
- Вокруг ядра находится пульсирующая атмосфера, создаваемая зарядами.
- Именно ядро и его характеристики определяют количество электронов в атоме.
Свойства ядра
Медь, стекло, железо, дерево обладают одинаковыми электронами. Атом может потерять пару электронов или даже все. Если ядро остается заряжено положительно, то оно способно притянуть нужное количество отрицательно заряженных частиц из других тел, что позволит ему сохраниться. Если атом теряет некоторое количество электронов, то положительный заряд у ядра будет больше, чем остаток отрицательных зарядов. В этом случае и весь атом приобретет избыточный заряд, и его можно будет назвать положительным ионом. В некоторых случаях атом может привлечь большее количество электронов, и тогда он станет отрицательно заряженным. Следовательно, его можно будет назвать отрицательным ионом.
Сколько весит атом?
Масса атома в основном определяется ядром. Электроны, которые входят в состав атома и атомного ядра, весят мене одной тысячной от общей массы. Так как массу считают мерой запаса энергии, которым обладает вещество, то этот факт считается неимоверно важным при изучении такого вопроса, как состав ядра атома.
Радиоактивность
Наиболее сложные вопросы появились после открытия Радиоактивные элементы излучают альфа-, бета- и гамма-волны. Но такое излучение должно иметь источник. Резерфорд в 1902 году показал, что таким источником является сам атом, а точнее сказать, ядро. С другой стороны, радиоактивность - это не только испускание лучей, а и перевод одного элемента в другой, с совершенно новыми химическими и физическими свойствами. То есть радиоактивность - это изменение ядра.
Что мы знаем о ядерной структуре?
Почти сто лет назад физик Проут выдвинул мысль о том, что элементы в периодической системе не являются бессвязными формами, а представляют собой комбинации Поэтому можно было ожидать, что и заряды, и массы ядер будут выражаться через целые и кратные заряды самого водорода. Однако это не совсем так. Изучая свойства атомных ядер при помощи электромагнитных полей, физик Астон установил, что элементы, атомные веса у которых не являлись целыми и кратными, на самом деле - комбинация разных атомов, а не одно вещество. Во всех случаях, когда атомный вес не целое число, мы наблюдаем смесь разных изотопов. Что это такое? Если говорить про состав ядра атома, изотопы - атомы с одинаковыми зарядами, но с разными массами.
Эйнштейн и ядро атома
Теория относительности говорит, что масса - это не мера, по которой определяют количество материи, а мера энергии, которой обладает материя. Соответственно, материю можно измерить не массой, а зарядом, который составляет эту материю, и энергией заряда. Когда одинаковый заряд приближается к другому такому же, энергия будет увеличиваться, в обратном случае - уменьшаться. Это, несомненно, не означает изменение материи. Соответственно, с этой позиции ядро атома - это не источник энергии, а скорее, остаток после ее выделения. Значит, существует некое противоречие.
Нейтроны
Супруги Кюри при бомбардировке альфа-частицами бериллия открыли некие непонятные лучи, которые, сталкиваясь с ядром атома, отталкивают его с огромной силой. Однако они способны проходить сквозь большую толщину вещества. Это противоречие разрешилось тем, что данная частица оказалась с нейтральным электрическим зарядом. Соответственно, ее и назвали нейтроном. Благодаря дальнейшим исследованиям оказалось, что почти такая же, как и у протона. В общем-то говоря, нейтрон и протон невероятно похожи. С учетом этого открытия определенно можно было установить, что в состав ядра атома входят и протоны, и нейтроны, причем в одинаковых количествах. Все постепенно становилось на места. Число протонов - атомный номер. Атомный вес - это сумма масс нейтронов и протонов. Изотопом можно же назвать элемент, в котором количество нейтронов и протонов будет не равным друг другу. Как уже говорилось выше, в таком случае, хотя элемент остается фактическим тем же самым, его свойства могут существенно измениться.
Протонно-электронная теория
К началу $1932$ г. Было известно только три элементарные частицы: электрон, протон и нейтрон. По этой причине было сделано предположение, что ядро атома состоит с протонов и электронов (протонно-электронная гипотеза). Считалось, что в состав ядра с номером $Z$ в периодической системе элементов Д. И. Менделеева и массовым числом $A$ входит $A$ протонов и $Z-A$ нейтронов. В соответствии с этой гипотезой электроны, которые входили в состав ядра, выполняли роль «цементирующего» средства, с помощью которого положительно заряженные протоны удерживались в ядре. Сторонники протонно-электронной гипотезы состава атомного ядра считали, что $\beta ^-$ - радиоактивность -- это подтверждение правильности гипотезы. Но эта гипотеза оказалась на в состоянии объяснить результаты эксперимента и была отброшена. Одним с таких затруднений была невозможность объяснить то, что спин ядра азота $^{14}_7N$ равен единице $(\hbar)$. В соответствии с протонно-электронной гипотезой, ядро азота $^{14}_7N$ должно состоять с $14$ протонов и $7$ электронов. Спин протонов и электронов равен $1/2$. По этой причине ядро атома азота, которое состоит в соответствии с этой гипотезой с $21$ частицы, должно иметь спин $1/2,\ 3/2,\ 5/2,\dots 21/2$. Это несоответствие протонно-электронной теории названо «азотной катастрофой». Так же непонятным было то, что при наличии электронов в ядре его магнитный момент имеет малый магнитный момент по сравнению с магнитным моментом электрона.
В $1932$ году Дж. Чедвик открыл нейтрон. После этого открытия Д. Д. Иваненко и Е. Г. Гапон выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомного ядра, какую подробно разработал В. Гейзенберг.
Замечание 1
Протонно-нейтронный состав ядра подтвержден не только теоретическими выводами, но и непосредственно опытами по расщеплению ядра на протоны и нейтроны. Сейчас общепринято, что атомное ядро состоит с протонов и нейтронов, которые так же называются нуклонами (от латинского nucleus -- ядро, зерно).
Строение атомного ядра
Ядро являет собой центральную часть атома, в которой сосредоточено положительный электрический заряд и основная часть массы атома. Размеры ядра, в сравнении с орбитами электронов чрезвычайно малы: $10^{-15}-10^{-14}\ м$. ядра состоят с протонов и нейтронов, которые почти одинаковы по массе, но электрический заряд несет только протон. Полное число протонов называется атомным номером $Z$ атома, который совпадает с числом электронов у нейтральном атоме. Нуклоны удерживаются в ядре большими силами, по своей природе эти силы не относятся ни к электрическим ни к гравитационным, а по величине они на много превышают силы, которые связывают электроны с ядром.
Согласно протонно-нейтронной модели строения ядра:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов;
- заряд ядра обусловлен только протонами;
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента;
- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов ($N=A-Z$)
Протон ($^2_1H\ или\ p$) -- положительно заряженная частица: её заряд равен заряду электрона $e=1.6\cdot 10^{-19}\ Кл$, а масса покоя $m_p=1.627\cdot 10^{-27}\ кг$. Протон является ядром налёгшего нуклона атома гидрогена.
Для упрощения записей и расчётов массу ядра зачастую определяют в атомных единицах массы (а.е.м) или в единицах энергии (записывая вместо массы соответствующую энергию $E=mc^2$ в электрон-вольтах). За атомною единицу массы берут $1/12$ массы нуклида углерода $^{12}_6С$. В этих единицах получаем:
Протон подобно электрону имеет собственный момент импульса -- спин, который равен $1/2$ (в единицах $\hbar $). Последний, во внешнем магнитном поле может ориентироваться только так, что его проекция и направления поля равны $+1/2$ или $-1/2$. Протон, как и электрон, подлежит квантовой статистике Ферми-Дирака, т.е. принадлежит к фермионам.
Протон характеризируется собственным магнитным моментом, который для частицы со спином $1/2$ зарядом $e$ и массой $m$ равен
Для электрона собственный магнитный момент равен
Для описания магнетизма нуклонов и ядер используют ядерный магнетон (в $1836$ раз меньше магнетона Бора):
Поначалу считали, что магнитный момент протона равен ядерному магнетону, т.к. его масса в $1836$ раз больше массы электрона. Но измерения показали, что на самом деле собственный магнитный момент протона в $2,79$ раз больше от ядерного магнетрона, имеет положительный знак, т.е. направление совпадает со спином.
Современная физика объясняет эти разногласия тем, что протоны и нейтроны взаимопреобразуются и на протяжении некоторого времени пребывают в состоянии диссоциации на $\pi ^\pm $ -- мезон и соответственного знака другой нуклон:
Масса покоя $\pi ^\pm $ - мезона равна $193,63$ МэВ, по этому его собственный магнитный момент в $6,6$ раз больше от ядерного магнетона. В измерениях появляется некоторое эффективное значение магнитного момента протона и $\pi ^+$ -- мезонного окружения.
Нейтрон ($n$) -- электрически нейтральная частица; ее масса покоя
Хоть нейтрон и лишен заряда, он имеет магнитный момент $\mu _n=-1.91\mu _Я$. Знак «$-$» показывает, что за направлением магнитный момент противоположный спину протона. Магнетизм нейтрона определяется эффективным значением магнитного момента частиц, на которые он способен диссоцыировать.
В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и произвольно распадается (период полураспада $12$ мин): излучая $\beta $ -- частицу и антинейтрино он превращается в протон. Схема распада нейтрона записывается в таком виде:
В отличии от внутриядерного распада нейтрона $\beta $ -- распад принадлежит и до внутреннего распада и до физики элементарных частиц.
Взаимное преобразование нейтрона и протона, равенство спинов, приближённость масс и свойств дают основания предполагать, что речь идет о двух разновидностях одной и той же ядерной частицы -- нуклона. Протонно-нейтронная теория хорошо согласуется с экспериментальными данными.
Как составляющие ядра протоны и нейтроны обнаруживают в многочисленных реакциях деления и синтеза.
В произвольных и штучных делениях ядер наблюдаются так же потоки электронов, позитронов, мезонов, нейтрино и антинейтрино. Масса $\beta $ -- частицы (электрон или позитрон) в $1836$ раз меньше массы нуклона. Мезоны -- положительные, отрицательные и нулевые частицы -- по массе занимают промежуточное место между $\beta $ -- частицами и нуклонами; время жизни таких частиц очень мало и составляет миллионные доли секунды. Нейтрино и антинейтрино -- элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю. Однако электроны, позитроны и мезоны не могут быть составляющими ядра. Эти легкие частицы не могут быть локализованы в малом объеме, которым является ядро радиусом $\sim 10^{-15}\ м$.
Для доказательства этого определим энергию электрического взаимодействия (например, электрона с позитроном или протоном в ядре)
и сравним ее с собственной энергией электрона
Посколькy энергия внешнего взаимодействия превышает собственную энергию электрона, он не может существовать и сохранять собственную индивидуальность, в условиях ядра он будет уничтожен. Другая ситуация с нуклонами, их собственная энергия более $900$ МэВ, поэтому в ядре они могут сохранять свои особенности.
Легкие частицы излучаются с ядер в процессе перехода их с одного состояния в другое.