Ядро атома має рівний заряд. Будова та заряд ядра атома

ЗАРЯД ЯДРУ

Закон Мозлі.Електричний заряд ядра утворюють протони, що входять до його складу. Число протонів Zназивають його зарядом, маючи на увазі, що абсолютне значення заряду ядра дорівнює Ze.Заряд ядра збігається із порядковим номером Zелемента у періодичній системі елементів Менделєєва. Вперше заряди атомних ядер визначив англійський фізик Мозлі у 1913 році. Вимірявши за допомогою кристала довжину хвилі λ характеристичного рентгенівського випромінювання для атомів деяких елементів, Мозлі виявив регулярну зміну довжини хвилі λ у елементів, що йдуть один за 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 і дорівнює одиниці 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 порядкового номера елемента. 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, може бути лише зарядом атомного ядра (закон Мозлі).

Рис. 2.1. Рентгенівські спектри атомів сусідніх елементів, отримані Мозлі

Вимірювання довжин рентгенівських хвиль випромінювання виконується з великою точністю, так що 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. Тому після відкриття Мозлі заряди ядер багаторазово вимірювалися у дослідах із розсіювання α -Частинок на основі 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 елементів експериментах було визначено також заряди ядер магнію, алюмінію, аргону і золота.

Таблиця 2.1. Результати дослідів Чедвіка

Визначення.Після відкриття Мозлі стало зрозуміло, що основною характеристикою атома є заряд ядра, а не його атомна маса, як це передбачали хіміки 19 століття, бо заряд ядра визначає кількість атомних електронів, отже, хімічні властивості атомів. Причина відмінності атомів хімічних елементів якраз і полягає в тому, що їхні ядра мають різну кількість протонів у своєму складі. Навпаки, різне число нейтронів в ядрах атомів при однаковій кількості протонів не змінює хімічні властивості атомів. Атоми, що відрізняються лише числом нейтронів у ядрах, називаються ізотопамихімічний елемент.

В основі будь-якої науки лежить щось маленьке та важливе. У біології це клітина, в мовознавстві - буква і звук, в інженерії - гвинтик, у будівництві - піщинка, а для хімії та фізики найважливіше - це атом, його структура.

Ця стаття призначена для осіб віком від 18 років.

А вам уже виповнилося 18?

Атом - це та найменша частка всього, що нас оточує, яка несе в собі всю необхідну інформацію, частка, що визначає характеристики та заряди. Довгий час вчені думали, що вона неподільна, єдина, проте протягом довгих годин, днів, місяців і років проводилися вивчення, дослідження та досліди, які довели, що атом також має свою структуру. Іншими словами, ця мікроскопічна кулька складається з ще менших складових, які впливають на величину її ядра, властивості та заряд. Структура цих частинок така:

електрони;
Ядро атома.

Останнє також можна поділити на дуже елементарні частини, які в науці називають протонами і нейронами, яких нараховується чітка кількість у кожному конкретному випадку.

Число протонів, що є в ядрі, вказує на структуру оболонки, що складається з електронів. Ця оболонка ж, своєю чергою, вміщує у собі всі необхідні характеристики певного матеріалу, речовини чи предмета. Обчислити суму протонів дуже просто — достатньо знати порядковий номер найменшої частини речовини (атома) у відомої таблиці Менделєєва. Це значення називають атомним числом і позначають латинської буквою «Z». Важливо пам'ятати, що протони мають позитивний заряд, а на листі це значення визначається як +1.

Нейрони - друга складова ядра атома. Це елементарна субатомна частка, яка не несе жодного заряду на відміну від електронів чи протонів. Нейрони були відкриті в 1932 Дж. Чедвіком, за що він, через 3 роки, отримав Нобелівську премію. У підручниках та наукових працях їх позначають як латинський символ "n".

Третя складова атома - електрон, який знаходиться в монотонному русі навколо ядра, створюючи таким чином хмару. Саме ця частка найлегша з усіх відомих сучасній науці, а це означає, що і заряд її також найменший. Позначається електрон на листі від −1.

Саме з'єднання позитивних і негативних частинок у структурі робить атом незарядженим або нейтрально зарядженим часткою. Ядро, порівняно із загальним розміром всього атома, дуже маленьке, але саме в ньому зосереджено всю вагу, що говорить про його високу щільність.

Як визначити заряд ядра атома?

Щоб визначити заряд ядра атома, потрібно добре розумітися на будові, структурі самого атома та її ядра, розуміти основні закони фізики і хімії, і навіть мати на озброєнні періодичну таблицю Менделєєва визначення атомного числа хімічного елемента.

Знання того, що мікроскопічна частка будь-якої речовини має у своїй структурі ядро та електрони, які створюють біля неї оболонку у вигляді хмари. До складу ядра, у свою чергу, входять два види елементарних неподільних частинок: протони та нейрони, кожен з яких має свої властивості та характеристики. Нейрони не мають у своєму арсеналі електронного заряду. Це означає, що їхній заряд не дорівнює і не більше або менше нуля. Протони, на відміну своїх побратимів, несуть позитивний заряд. Іншими словами, їхній електричний заряд можна позначити як +1.
Електрони, які є невід'ємною частиною кожного атома, також несуть певний вид електричного заряду. Вони є негативно зарядженими елементарними частинками, але в листі визначаються як −1.
Щоб обчислити заряд атома, потрібні знання про його структуру (ми щойно згадали необхідні відомості), кількість елементарних частинок у складі. А щоб дізнатися суму заряду атома, потрібно математичним способом додати кількість одних частинок (протонів) до інших (електронів). Зазвичай, характеристика атома свідчить, що він електрон нейтральний. Тобто значення електронів дорівнює кількості протонів. Підсумок такий - значення заряду такого атома дорівнює нулю.
Важливий нюанс: бувають ситуації, коли число позитивно і негативно заряджених елементарних частинок у ядрі може бути рівним. Це свідчить, що атом ставати іоном з позитивним чи негативним зарядом.

Позначення ядра атома у сфері виглядає як Ze. Розшифрувати це досить просто: Z - це той номер, який присвоєний елементу у всій відомій таблиці Менделєєва, ще його називають порядковим чи зарядним числом. І вказує воно на кількість протонів в ядрі атома, а e - це лише заряд протона.

У сучасній науці є ядра з різним значенням зарядів: від 1 до 118.

Ще одне важливе поняття, яке потрібно знати юним хімікам, — масове число. Це поняття вказує на загальну суму заряду нуклонів (це ті найдрібніші складники ядра атома хімічного елемента). І знайти це число можна, якщо скористатися формулою: A = Z + Nде А - масове число, що шукається, Z - кількість протонів, а N - значення нейтронів в ядрі.

Чому дорівнює заряд ядра атома брому?

Щоб практично продемонструвати, як знайти заряд атома необхідного елемента (у разі, брому), варто звернутися до періодичної таблиці хімічних елементів і знайти там бром. Його порядковий номер 35. Це означає, що і заряд ядра його дорівнює 35, оскільки він залежить від числа протонів в ядрі. А на число протонів вказує номер, під яким стоїть хімічний елемент у великій праці Менделєєва.

Наведемо ще кілька прикладів, щоб у майбутньому юним хімікам було простіше розрахувати необхідні дані:

заряд ядра атома натрію (na) дорівнює 11, оскільки саме під цим номером його можна знайти у таблиці хімічних елементів.
заряд ядра фосфору (символічне позначення якого P) має значення 15, адже саме стільки у його ядрі протонів;
сірка (з графічним позначенням S) - сусідка за таблицею попереднього елемента, тому і заряд ядра у неї 16;
залізо (а знайти ми його можемо в позначенні Fe) стоїть під номером 26, що говорить про таку ж кількість протонів у його ядрі, а значить і заряд атома;
вуглець (він C) знаходиться під 6 номером періодичної таблиці, що і вказує на потрібну нам інформацію;
магній має атомний номер 12, а міжнародній символіці його знають як Mg;
хлор у періодичній таблиці, де він пишеться як Cl, стоїть під 17 номером, тому і його атомне число (а саме воно нам потрібне) таке ж - 17;
кальцій (Ca), який корисний для юних організмів, знаходимо під номером 20;
заряд ядра атома азоту (з письмовим позначенням N) дорівнює 7, саме у такій черзі він представлений у таблиці Менделєєва;
барій стоїть під 56 номером, що дорівнює його атомній масі;
хімічний елемент селен (Se) має у своєму ядрі 34 протона, а це показує, що таким буде заряд ядра його атома;
срібло (або в письмовому позначенні Ag) має порядковий номер та атомну масу 47;
якщо потрібно дізнатися заряд ядра атома літію (Li), потрібно звернутися до початку великої праці Менделєєва, де він перебуває під номером 3;
аурум чи усіма нами улюблене золото (Au) має атомну масу 79;
у аргону це значення дорівнює 18;
рубідій має атомну масу у розмірі 37, а у стронцію вона дорівнює 38.

Перелічувати всі складові періодичної таблиці Менделєєва можна ще дуже довго, адже їх дуже багато. Головне, що суть цього явища зрозуміла, а якщо потрібно буде обчислити атомну кількість калію, кисню, кремнію, цинку, алюмінію, водню, берилію, бору, фтору, міді, фтору, миш'яку, ртуті, неону, марганцю, титану, то варто лише звернутися до таблиці хімічних елементів та дізнатися порядковий номер тієї чи іншої речовини.

Найменування параметру	Значення
Тема статті:	ЗАРЯД ЯДРУ
Рубрика (тематична категорія)	Радіо

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 значення заряду ядра дорівнює Ze.Заряд ядра збігається із порядковим номером Zелемента в періодичній системі елементів Менделєєва. Вперше заряди атомних ядер визначив англійський фізик Мозлі у 1913 році. Вимірявши за допомогою кристала довжину хвилі λ характеристичного рентгенівського випромінювання для атомів деяких елементів, Мозлі виявив регулярну зміну довжини хвилі λ у елементів, що йдуть один за 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 і дорівнює одиниці 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 порядкового номера елемента. 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).

Рис. 2.1. Рентгенівські спектри атомів сучасних елементів, отримані Мозлі

Вимірювання довжин хвиль рентгенівського випромінювання виконується з великою точністю, отже з урахуванням закону Мозлі приналежність атома до хімічному елементу 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 елементів в експериментах були визначені також заряди ядер магнію, алюмінію, аргону та золота.

Таблиця 2.1. Результати дослідів Чедвіка

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.

Бєлкін І.К. Заряд атомного ядра та періодична система елементів Менделєєва // Квант. – 1984. – № 3. – С. 31-32.

За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"

Сучасні уявлення про будову атома виникли у 1911 – 1913 роках, після знаменитих дослідів Резерфорда щодо розсіяння альфа-часток. У цих дослідах було показано, що α -частки (їх заряд позитивний), потрапляючи на тонку металеву фольгу, іноді відхиляються великі кути і навіть відкидаються назад. Це можна було пояснити лише тим, що позитивний заряд в атомі сконцентрований у малому обсязі. Якщо уявити його у вигляді кульки, то, як встановив Резерфорд, радіус цієї кульки повинен дорівнювати приблизно 10 -14 -10 -15 м, що в десятки і сотні тисяч разів менше розмірів атома в цілому (~10 -10 м) . Тільки поблизу такого малого за розмірами позитивного заряду може існувати електричне поле, здатне відкинути α -частку, що мчить зі швидкістю близько 20 000 км/с. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром.

Так виникла ідея, що атом будь-якої речовини складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, існування яких в атомах було встановлено раніше. Очевидно, що оскільки атом в цілому електрично нейтральний, заряд ядра повинен бути чисельно дорівнює заряду всіх електронів, що є в атомі. Якщо позначити модуль заряду електрона буквою е(елементарний заряд), то заряд qя ядра повинен дорівнювати qя = Ze, де Z- ціле число, що дорівнює кількості електронів в атомі. Але чому дорівнює число Z? Чому дорівнює заряд qя ядра?

З дослідів Резерфорда, дозволили встановити розміри ядра, у принципі, можна визначити величину заряду ядра. Адже електричне поле, що відкидає α -частку, залежить як від розмірів, а й від заряду ядра. І Резерфорд справді оцінив заряд ядра. За Резерфордом заряд ядра атома того чи іншого хімічного елемента приблизно дорівнює половині його відносної атомної маси А, помноженої на елементарний заряд е, тобто

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

Але, як це не дивно, справжній заряд ядра був встановлений не Резерфордом, а одним із читачів його статей та доповідей - голландським ученим Ван-ден-Бруком (1870-1926). Дивно тому, що Ван-ден-Брук за освітою та професією був не фізиком, а юристом.

Чому Резерфорд, оцінюючи заряди атомних ядер, співвідносив їх із атомними масами? Справа в тому, що коли в 1869 Д. І. Менделєєв створив періодичну систему хімічних елементів, він розташував елементи в порядку зростання їх відносних атомних мас. І за минулі сорок років усі звикли до того, що найважливіша характеристика хімічного елемента – його відносна атомна маса, що саме вона відрізняє один елемент від іншого.

Тим часом саме в цей час, на початку XX століття, із системою елементів виникли труднощі. При дослідженні явища радіоактивності було відкрито низку нових радіоактивних елементів. І для них у системі Менделєєва начебто не було місця. Здавалося, що система Менделєєва вимагала зміни. Цим і був особливо стурбований Ван-ден-Брук. Протягом кількох років їм було запропоновано кілька варіантів розширеної системи елементів, в якій вистачило б місця не тільки для ще невідкритих стабільних елементів (про місця для них «подбав» ще сам Д. І. Менделєєв), але і для радіоактивних елементів теж. Останній варіант Ван-ден-Брук опублікував на початку 1913, у ньому було 120 місць, а уран займав клітинку під номером 118.

У тому ж 1913 року було опубліковано результати останніх досліджень із розсіювання α -Частинок на великі кути, проведених співробітниками Резерфорда Гейгером і Марсденом. Аналізуючи ці результати, Ван-ден-Брук зробив важливе відкриття. Він встановив, що число Zу формулі qя = Zeне половині відносної маси атома хімічного елемента, яке порядковому номеру. І до того ж порядковому номеру елемента в системі Менделєєва, а не в його, Ван-ден-Брука, 120-місцевій системі. Система Менделєєва, виявляється, не потребувала зміни!

З ідеї Ван-ден-Брука випливає, що кожен атом складається з атомного ядра, заряд якого дорівнює порядковому номеру відповідного елемента в системі Менделєєва, помноженому на елементарний заряд, і електронів, кількість яких в атомі також дорівнює порядковому номеру елемента. (Атом міді, наприклад, складається з ядра із зарядом, рівним 29 е, і 29 електронів.) Стало зрозуміло, що Д. І. Менделєєв інтуїтивно розташував хімічні елементи порядку зростання не атомної маси елемента, а заряду його ядра (хоча про це й знав). Отже, один хімічний елемент відрізняється від іншого не своєю атомною масою, а зарядом атомного ядра. Заряд ядра атома – ось головна характеристика хімічного елемента. Існують атоми абсолютно різних елементів, але з однаковими атомними масами (вони мають спеціальну назву – ізобари).

Те, що не атомні маси визначають положення елемента в системі, видно з таблиці Менделєєва: у трьох місцях порушено правило зростання атомної маси. Так, відносна атомна маса у нікелю (№ 28) менше, ніж у кобальту (№ 27), калію (№ 19) вона менше, ніж у аргону (№ 18), у йоду (№ 53) менше, ніж у телуру ( №52).

Припущення про взаємозв'язок заряду атомного ядра і порядкового номера елемента легко пояснювало правила зміщення при радіоактивних перетвореннях, відкриті у тому 1913 року («Фізика 10», § 103). Насправді, при випромінюванні ядром α -частинки, заряд якої дорівнює двом елементарним зарядам, заряд ядра, отже, та її порядковий номер (тепер зазвичай говорять - атомний номер) має зменшитися на дві одиниці. При випусканні ж β -Частини, тобто негативно зарядженого електрона, він повинен збільшитися на одну одиницю. Саме в цьому й полягають правила усунення.

Ідея Ван-ден-Брука дуже скоро (буквально того ж року) отримала перше, щоправда непряме, досвідчене підтвердження. Дещо пізніше правильність її була доведена прямими вимірами заряду ядер багатьох елементів. Зрозуміло, що вона відіграла важливу роль у подальшому розвитку фізики атома та атомного ядра.

З планетарної моделі будови атомів нам відомо, що атом є ядром, і хмара електронів, що обертається навколо нього. Причому відстань між електронами та ядром у десятки та сотні тисяч разів більша, ніж розмір самого ядра.

Що ж є саме ядро? Це маленька тверда неподільна кулька або вона складається з дрібніших частинок? Жоден мікроскоп, що існує у світі, не в змозі наочно показати нам, що відбувається на такому рівні. Там усе надто маленьке. Тоді як бути? Чи можна взагалі вивчити фізику атомного ядра? Як дізнатися склад та характеристики атомного ядра, якщо досліджувати його немає можливості?

Заряд ядра атома

Найрізноманітнішими опосередкованими дослідами, висловлюючи гіпотези і перевіряючи їх у практиці, шляхом спроб і помилок, ученим вдалося дослідити будову атомного ядра. Виявилося, що ядро складається з ще дрібніших частинок. Від кількості цих частинок залежить розмір ядра, його заряд та хімічні властивості речовини. Причому ці частинки мають позитивний заряд, що і компенсує негативний заряд електронів атома. Частинки ці назвали протонами. Їх кількість у нормальному стані завжди дорівнює кількості електронів. Питання, як визначити заряд ядра, більше не стояло.Заряд ядра атома в нейтральному стані завжди дорівнює числу електронів, що обертаються навколо, і протилежний за знаком заряду електронів. А визначати кількість та заряд електронів фізики вже навчилися.

Будова атомного ядра: протони та нейтрони

Проте у подальших досліджень виникла нова проблема. Виявилося, що протони, володіючи однаковим зарядом, у деяких випадках удвічі різняться за масою. Це викликало безліч питань і не стиковок. Зрештою, вдалося встановити, що до складу атомного ядра, крім протонів входять ще деякі частинки, майже рівні протонам по масі, але які мають ніяким зарядом. Частинки ці назвали нейтронами. Виявлення нейтронів дозволило все не стикування в розрахунках. У результаті протони і нейтрони як складові елементи ядра отримали назву нуклонів. Розрахунок будь-яких значень, що стосуються характеристик ядра, став значно простішим. В освіті заряду ядра нейтрони участі не беруть, тому вплив їх на хімічні властивості речовини практично не проявляється, проте нейтрони беруть участь в освіті маси ядер, відповідно впливають на гравітаційні властивості ядра атома. Таким чином, є певний непрямий вплив нейтронів на властивості речовини, але воно вкрай незначне.