Чому дорівнює заряд ядра атома елемента? Будова та заряд ядра атома

Фізичні властивості атомних ядер.
Розміщено на реф.
Заряд ядра. Розмір ядра. Моменти ядер.
Розміщено на реф.
Спин ядра. Магнітний та електричний моменти ядра. Маса ядра та маса атома. Дефект маси. Енергія зв'язку. Основні особливості енергії зв'язку. Основне правило. Ядерні сили: основні характеристики, кулоновський та ядерний потенціали ядра. Обмінний характер ядерних сил.

Закон Мозлі.Електричний заряд ядра утворюють протони, що входять до його складу. Число протонів Zназивають його зарядом, маючи на увазі, що абсолютне значеннязаряду ядра одно Ze.Заряд ядра збігається із порядковим номером Zелемента в періодичній системіелементів Менделєєва. Вперше заряди атомних ядер визначив англійський фізик Мозлі у 1913 році. Вимірявши за допомогою кристала довжину хвилі λ характеристичного рентгенівського випромінюваннядля атомів деяких елементів, Мозлі виявив регулярну зміну довжини хвилі λ у елементів, наступних друзівза одним у періодичній системі (рис.2.1). Це спостереження Мозлі інтерпретував залежністю λ від певної константи атома Z, що змінюється на одиницю від елемента до елемента та рівної одиницідля водню:

де і – постійні. З експериментів з розсіяння рентгенівських квантів атомними електронами та α -частинок атомними ядрами вже було відомо, що заряд ядра приблизно дорівнює половині атомної маси і, отже, близький до порядковому номеруелемент. Оскільки випромінювання характеристичного рентгенівського випромінювання є наслідком електричних процесів в атомі, Мозлі зробив висновок, що знайдена в його дослідах константа атомів, що визначає довжину хвилі характеристичного рентгенівського випромінювання і збігається з порядковим номером елемента повинна бути тільки зарядом атомного ядра (закон Мозлі).

Мал. 2.1. Рентгенівські спектриатомів сусідніх елементів, отримані Мозлі

Вимірювання довжин хвиль рентгенівського випромінювання виконується з великою точністю, Отже на основі закону Мозлі приналежність атома до хімічного елемента встановлюється абсолютно надійно. Водночас той факт, що константа Zв останньому рівнянні є зарядом ядра, хоч і обґрунтований непрямими експериментами, зрештою тримається на постулаті – законі Мозлі. З цієї причини після відкриття Мозлі заряди ядер багаторазово вимірювалися у дослідах із розсіювання α -Частинок на базі закону Кулона. У 1920 році Чедвіг удосконалив методику вимірювання частки розсіяних α -Частинок і отримав заряди ядер атомів міді, срібла і платини (див. таблицю 2.1). Дані Чедвіга не залишають сумнівів у справедливості закону Мозлі. Крім зазначених елементівв експериментах були визначені також заряди ядер магнію, алюмінію, аргону та золота.

Таблиця 2.1. Результати дослідів Чедвіка

Визначення.Після відкриття Мозлі стало ясно, що основною характеристикою атома є заряд ядра, а не його атомна маса, як це передбачали хіміки 19 століття, бо заряд ядра визначає число атомних електронів, а значить, Хімічні властивостіатомів. Причина відмінності атомів хімічних елементів таки полягає в тому, що їх ядра мають різне числопротонів у своєму складі. Навпаки, різне число нейтронів у ядрах атомів при однаковій кількостіпротонів не змінює хімічні властивості атомів. Атоми, що відрізняються лише числом нейтронів у ядрах, називаються ізотопами хімічного елемента.

Атом з певним числом протонів і нейтронів у складі ядра прийнято називати нуклідом.Склад ядра задається числами Zі A. Про ізотоп говорять лише маючи на увазі приналежність до хімічного елементу, наприклад, 235 U є ізотоп урану, але 235 U - нуклід, що ділиться, а не ізотоп, що ділиться.

Атоми, ядра яких містять однакову кількість нейтронів, але різне число протонів, називаються ізотонами.Атоми з однаковими масовими числами, але різним протон-нейтронним складом ядер, називаються ізобарами.

ЗАРЯД ЯДРУ - поняття та види. Класифікація та особливості категорії "ЗАРЯД ЯДРУ" 2017, 2018.

Заряд ядра () визначає місце розташування хімічного елемента таблиці Д.І. Менделєєва. Число Z – це кількість протонів у ядрі. Кл - заряд протона, який дорівнює за величиною заряду електрона.

Ще раз наголосимо, що заряд ядра визначає кількість позитивних елементарних зарядів, носіями яких є протони. Оскільки атом є в цілому нейтральною системою, то заряд ядра визначає і кількість електронів в атомі. А ми пам'ятаємо, що електрон має негативний елементарний заряд. Електрони в атомі розподіляються за енергетичними оболонками та підболочками залежно від їх кількості, отже, заряд ядра істотно впливає на розподіл електронів за їхніми станами. Від кількості електронів на останньому енергорівні залежить хімічні властивості атома. Виходить, заряд ядра визначає хімічні властивості речовини.

В даний час прийнято позначати різні хімічні елементи наступним чином: , де X - символ хімічного елемента періодичної таблиці, що відповідає заряду .

Елементи, які мають рівні Z, але різні атомні маси (A) (це означає, що в ядрі однакова кількість протонів, але різна кількістьнейтронів) називають ізотопами. Так, водень має два ізотопи: 1 1 H-водень; 2 1 H-дейтерій; 3 1 H-тритій

Існують стійкі та нестійкі ізотопи.

Ядра, що мають однакові маси, але різними зарядаминазиваються ізобарами. Ізобари переважно зустрічаються серед важких ядер, причому парами або тріадами. Наприклад, і .

Першим опосередкований вимір заряду ядра зробив Мозлі в 1913 р. Він встановив зв'язок між частотою характеристичного рентгенівського випромінювання () та зарядом ядра (Z):

де C і B постійні не залежать від елемента для серії випромінювання, що розглядається.

Безпосередньо заряд ядра було визначено Чедвіком 1920 р. щодо розсіювання ядер атома гелію на металевих плівках.

Склад ядра

Ядро атома водню називається протоном. Маса протона дорівнює:

Ядро складається з протонів та нейтронів (разом їх називають нуклонами). Нейтрон було відкрито 1932 р. Маса нейтрону дуже близька до маси протона. Нейтрон електричного зарядуне має.

Суму кількості протонів (Z) та числа нейтронів (N) в ядрі називають масовим числом A:

Оскільки маси нейтрону та протону дуже близькі, кожна з них дорівнює майже атомної одиницімаси. Маса електронів в атомі набагато менше, маси ядра, тому вважають, що масове число ядра приблизно дорівнює відносній атомної масиелемента, якщо заокруглити його до цілого.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

ПРИКЛАД 2

Атом - це найменша частка хімічного елемента, що зберігає його хімічні властивості. Атом складається з ядра, що має позитивний електричний заряд, та негативно заряджених електронів. Заряд ядра будь-якого хімічного елемента дорівнює твору Z на e де Z - порядковий номер даного елементау періодичній системі хімічних елементів, е – величина елементарного електричного заряду.

Електрон- це найдрібніша часткаречовини з негативним електричним зарядом е = 1,6 10 -19 кулона, прийнятим за елементарний електричний заряд. Електрони, обертаючись навколо ядра, розташовуються на електронних оболонках, L, М і т. д. К - оболонка, найближча до ядра. Розмір атома визначається розміром його електронної оболонки. Атом може втрачати електрони і ставати позитивним іономабо приєднувати електрони та ставати негативним іоном. Заряд іона визначає кількість втрачених чи приєднаних електронів. Процес перетворення нейтрального атома на заряджений іон називається іонізацією.

Атомне ядро (Центральна частинаатома) складається з елементарних ядерних частинок - протонів та нейтронів. Радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менший за радіус атома. Щільність атомного ядра дуже велика. Протони- це стабільні елементарні частки, Що мають одиничний позитивний електричний заряд і масу, в 1836 разів більшу, ніж маса електрона. Протон є ядро ​​атома найлегшого елемента - водню. Число протонів в ядрі дорівнює Z. Нейтрон- це нейтральна (яка не має електричного заряду) елементарна частка з масою, дуже близькою до маси протона. Оскільки маса ядра складається з маси протонів і нейтронів, число нейтронів в ядрі атома дорівнює А - Z, де А - масове число даного ізотопу (див. ). Протон і нейтрон, що входять до складу ядра, називаються нуклонами. У ядрі нуклони пов'язані особливими ядерними силами.

В атомному ядрі є величезний запас енергії, що вивільняється при ядерних реакціях. Ядерні реакції виникають при взаємодії атомних ядер з елементарними частинками або ядрами інших елементів. Внаслідок ядерних реакцій утворюються нові ядра. Наприклад, нейтрон може переходити у протон. І тут з ядра викидається бета-частка, т. е. електрон.

Перехід у ядрі протона в нейтрон може здійснюватися двома шляхами: або з ядра випускається частка з масою, рівної масіелектрона, але з позитивним зарядом, звана позитрон (позитронний розпад), або ядро ​​захоплює один з електронів з найближчої до нього К-оболонки (К-захоплення).

Іноді ядро, що утворилося, має надлишок енергії (перебуває в збудженому стані) і, переходячи в нормальний станвиділяє зайву енергію у вигляді електромагнітного випромінюванняз дуже малою довжиною хвилі - . Енергія, що виділяється при ядерних реакціях, практично використовується в різних галузяхпромисловості.

Атом (грец. atomos - неподільний) найменша частка хімічного елемента, що має його хімічні властивості. Кожен елемент складається з атомів певного виду. До складу атома входять ядро, що несе позитивний електричний заряд, і негативно заряджені електрони, що утворюють його електронні оболонки. Величина електричного заряду ядра дорівнює Z-e, де е - елементарний електричний заряд, що дорівнює за величиною заряду електрона (4,8 · 10 -10 ел.-ст. од.), і Z - атомний номерданого елемента у періодичній системі хімічних елементів (див.). Так як неіонізований атом нейтральний, то число електронів, що входять до нього, також дорівнює Z. До складу ядра входять нуклони, елементарні частинки з масою, приблизно в 1840 разів. більшої масиелектрона (рівний 9,1 10 -28 г), протони (див.), заряджені позитивно, і не мають заряду нейтрони (див.). Число нуклонів в ядрі називається масовим числом і позначається буквою А. Кількість протонів в ядрі, що дорівнює Z, визначає число електронів, що входять в атом, будова електронних оболонокта хімічні властивості атома. Кількість нейтронів у ядрі дорівнює А-Z. Ізотопами називаються різновиди одного й того самого елемента, атоми яких відрізняються один від одного масовим числом А, але мають однакові Z. Таким чином, в ядрах атомів різних ізотопів одного елемента є різне число нейтронів при однаковій кількості протонів. При позначенні ізотопів масове число записується А зверху від символу елемента, а атомний номер внизу; наприклад, ізотопи кисню позначаються:

Розміри атома визначаються розмірами електронних оболонок і становлять для Z величину порядку 10 -8 см. Оскільки маса всіх електронів атома в кілька тисяч разів менше маси ядра, маса атома пропорційна масовому числу. Відносна масаатома даного ізотопу визначається по відношенню до маси атома ізотопу вуглецю З 12 прийнятої за 12 одиниць, і називається ізотопною масою. Вона виявляється близькою до масового числа відповідного ізотопу. Відносна вага атома хімічного елемента є середнє (з урахуванням відносної поширеності ізотопів даного елемента) значення ізотопної ваги і називається атомною вагою (масою).

Атом є мікроскопічною системою, та її будову та властивості можна пояснити лише з допомогою квантової теорії, створеної переважно у 20-ті роки 20 століття і призначеної для описи явищ атомного масштабу. Досліди показали, що мікрочастинки - електрони, протони, атоми і т. д., крім корпускулярних, мають хвильовими властивостями, що виявляються в дифракції та інтерференції. У квантовій теорії для опису стану мікрооб'єктів використовується деяке хвильове поле, яке характеризується хвильовою функцією (Ψ-функція). Ця функція визначає ймовірність можливих станів мікрооб'єкта, тобто характеризує потенційні можливостіпрояви тих чи інших властивостей. Закон зміни функції Ψ у просторі та часі (рівняння Шредінгера), що дозволяє знайти цю функцію, грає в квантовій теорії ту саму роль, що в класичної механікизакони руху Ньютона Рішення рівняння Шредінгера у багатьох випадках призводить до дискретних можливим станамсистеми. Так, наприклад, у разі атома виходить ряд хвильових функційдля електронів, що відповідають різним (квантованим) значенням енергії. Система енергетичних рівнів атома, розрахована методами квантової теорії, отримала блискуче підтвердження спектроскопії. Перехід атома з основного стану, що відповідає нижчому енергетичному рівнюЕ 0 , в якесь із збуджених станів E i відбувається при поглинанні певної порції енергії Е i - Е0. Збуджений атом перетворюється на менш збуджений або основний стан зазвичай з випромінюванням фотона. При цьому енергія фотона hv дорівнює різниці енергій атома у двох станах: hv = E i - Е k де h - постійна Планка(6,62 · 10 -27 ерг · сек), v - частота світла.

Крім атомних спектрів, квантова теоріядозволила пояснити та інші властивості атомів. Зокрема, були пояснені валентність, природа хімічного зв'язкута будову молекул, створено теорію періодичної системи елементів.

Те, що всі предмети складаються з елементарних частинок, припускали ще вчені Стародавню Грецію. Але ні довести цей факт, ні спростувати на той час не було жодної можливості. Та й про властивості атомів у давнину могли лише здогадуватися, спираючись на власні спостереження за різними речовинами.

Довести, що всі речовини складаються з елементарних частинок, вдалося лише в 19-му столітті і побічно. У той же час фізики та хіміки по всьому світу намагалися створити єдину теоріюелементарних частинок, що описує їх будову та пояснює різні властивостітакі, наприклад, як заряд ядра.

Вивченню молекул, атомів та його будови були присвячені праці багатьох учених. Фізика поступово перейшла у вивчення мікросвіту - елементарних частинок, їх взаємодії та властивостей. Вчені почали цікавитися, з чого складається висувати гіпотези і намагатися їх довести хоча б опосередковано.

В результаті як базової теоріїбула прийнята планетарна запропонована Ернестом Резерфордом та Нільсом Бором. Відповідно до цієї теорії, заряд ядра будь-якого атома позитивний, тоді як у його орбітам обертаються негативно заряджені електрони, у результаті роблячи атом електрично нейтральним. Згодом ця теорія була багаторазово підтверджена різного родуекспериментами, починаючи з дослідів одного із її співавторів.

Сучасна ядерна фізикавважає теорію Резерфорда-Бора фундаментальною, всі дослідження атомів та його елементів ґрунтуються на ній. З іншого боку, більшість гіпотез, що з'явилися за останні 150 років, практично так і не були підтверджені. Виходить, що ядерна фізика у своїй більшості є теоретичною через надмалі розміри об'єктів, що вивчаються.

Звичайно ж, у сучасному світівизначити заряд ядра алюмінію, наприклад (або будь-якого іншого елемента), набагато простіше, ніж у 19-му столітті і тим більше — в Стародавній Греції. Але роблячи нові відкриття у цій галузі, вчені часомприходять до дивовижних висновків. Намагаючись знайти вирішення одного завдання, фізика стикається з новими проблемами та парадоксами.

Спочатку теорія Резерфорда говорить про те, що хімічні властивості речовини залежать від того, яким є заряд ядра його атома і, як наслідок, від числа електронів, що обертаються по його орбітах. Сучасна хіміяі фізика повною мірою підтверджують цю версію. Незважаючи на те, що вивчення структури молекул спочатку відштовхувалося від найпростішої моделі- атома водню, заряд ядра якого дорівнює 1, теорія повною мірою поширюється на всі елементи таблиці Менделєєва, включаючи і отримані штучним шляхом наприкінці минулого тисячоліття.

Цікаво, що ще задовго до досліджень Резерфорда англійський хімік, лікар за освітою Вільям Проут зауважив, що питома вага різних речовинкратний даному показнику водню. Він тоді припустив, що всі інші елементи складаються з водню на якомусь найпростішому рівні. Що, наприклад, частка азоту - це 14 таких мінімальних частинок, кисню - 16 і т.д. цю теоріюглобально в сучасній інтерпретації, то загалом вона вірна.

Досліджуючи проходження α-частки через тонку золоту фольгу (див. п. 6.2), Е. Резерфорд дійшов висновку про те, що атом складається з важкого позитивного зарядженого ядра і електронів, що його оточують.

Ядром називається центральна частина атома,в якій зосереджена практично вся маса атома та його позитивний заряд .

У склад атомного ядра входять елементарні частки : протони і нейтрони (нуклони від латинського слова Nucleus- Ядро). Таку протонно-нейтронну модель ядра було запропоновано. радянським фізиком 1932 р. Д.Д. Іваненко. Протон має позитивний заряд е + =1,06 · 10 -19 Кл і масу спокою m p= 1,673 · 10 -27 кг = 1836 m e. Нейтрон ( n) – нейтральна частка з масою спокою m n= 1,675 · 10 -27 кг = 1839 m e(де маса електрона m e, дорівнює 0,91 · 10 -31 кг). На рис. 9.1 наведено структуру атома гелію за уявленнями кінця XX - початку XXIв.

Заряд ядра дорівнює Ze, де e- Заряд протона, Z– зарядове число , рівне порядковому номерухімічного елемента у періодичної системі елементів Менделєєва, тобто. числу протонів в ядрі. Число нейтронів у ядрі позначається N. Як правило Z > N.

В даний час відомі ядра з Z= 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонів у ядрі A = Z + Nназивається масовим числом . Ядра з однаковим Z, але різними Аназиваються ізотопами. Ядра, які за однакового Aмають різні Z, називаються ізобарами.

Ядро позначається тим самим символом, що й нейтральний атом, де X- Символ хімічного елемента. Наприклад: водень Z= 1 має три ізотопи: – протий ( Z = 1, N= 0), - дейтерій ( Z = 1, N= 1), - тритій ( Z = 1, N= 2), олово має 10 ізотопів і т.д. У переважній більшості ізотопи одного хімічного елемента мають однакові хімічні та близькі. фізичними властивостями. Всього відомо близько 300 стійких ізотопів та понад 2000 природних та штучно отриманих радіоактивних ізотопів.

Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що має умовний зміст через розмитість кордону ядра. Ще Е. Резерфорд, аналізуючи свої досліди, показав, що розмір ядра приблизно дорівнює 10-15 м (розмір атома дорівнює 10-10 м). Існує емпірична формула для розрахунку радіусу ядра:

де R 0 = (1,3 - 1,7) · 10 -15 м. Звідси видно, що обсяг ядра пропорційний числу нуклонів.

Щільність ядерної речовини становить по порядку величини 1017 кг/м 3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевищує щільність найщільніших звичайних речовин.

Протони і нейтрони є ферміонами, т.к. мають спин ħ /2.

Ядро атома має власний моментімпульсу – спин ядра :

,

(9.1.2)

де I – внутрішнє(повне)спинове квантове число.

Число Iнабуває цілих чи напівцілі значення 0, 1/2, 1, 3/2, 2 і т.д. Ядра з парними Амають цілісний спин(у одиницях ħ ) та підпорядковуються статистиці Бозе–Ейнштейна(бозони). Ядра з непарними Амають напівцілий спин(у одиницях ħ ) та підпорядковуються статистиці Фермі–Дірака(Тобто. ядра – ферміони).

Ядерні частинки мають власні магнітні моменти, якими визначається магнітний момент ядра загалом. Одиницею виміру магнітних моментів ядер служить ядерний магнетон μ отрута:

Тут e – абсолютна величиназаряду електрона, m p- Маса протона.

Ядерний магнетон в m p/m e= 1836,5 разів менше магнетона Бора, звідси випливає, що магнітні властивості атомів визначаються магнітними властивостямийого електронів .

Між спином ядра та його магнітним моментом є співвідношення:

де γ отрута – ядерне гіромагнітне відношення.

Нейтрон має негативний магнітний момент n≈ – 1,913μ отрута тому що напрямок спина нейтрону та його магнітного моменту протилежні. Магнітний моментпротона позитивний і дорівнює μ р≈ 2,793μ отрута. Його напрямок збігається із напрямком спина протона.

Розподіл електричного заряду протонів по ядру загальному випадкунесиметрично. Мірою відхилення цього розподілу від сферично-симетричного є квадрупольний електричний момент ядра Q. Якщо щільність заряду вважається скрізь однаковою, то Qвизначається лише формою ядра. Так, для еліпсоїда обертання

,

(9.1.5)

де b- Піввісь еліпсоїда вздовж напрямку спина, а- Піввісь у перпендикулярному напрямку. Для ядра, витягнутого вздовж напрямку спина, b > аі Q> 0. Для ядра, сплющеного у цьому напрямі, b < aі Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = aі Q= 0. Це справедливо для ядер зі спином, що дорівнює 0 або ħ /2.

Для перегляду демонстрацій клацніть на відповідному гіперпосиланні: