Строение атомов — элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Экспериментальные методы исследования частиц

Счетчик Гейгера. Камера Вильсона

Ранее был разобран один из способов регистрации альфа-частиц – метод сцинтилляций. Однако он во многом зависит от человеческого фактора – остроты зрения наблюдателя, его внимательности, выносливости и так далее. Для дальнейших исследований строения атомов необходимы были приборы, максимально исключающие человеческий фактор.

Первым из таких приборов стал счетчик Гейгера, названный по фамилии изобретателя.

Данное устройство состоит из двух электродов, помещенных в герметичную стеклянную трубку (СТ), заполненную разреженным газом (как правило, аргоном). Отрицательно заряженный катод (К) представляет собой металлический цилиндр; анод (А) – тонкую проволоку, натянутую вдоль оси цилиндра-катода (см. рисунок 4). Эти электроды через сопротивление R подключены к источнику (U) высокого напряжения (порядка сотен вольт). Между ними возникает сильное электрическое поле.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныРисунок 4 – Схема счетчика Гейгера

Если в стеклянную трубку с газом влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа (т.е. «выбить» из них свободные электроны), образовавшиеся ионы начинают двигаться под воздействием электрического поля – электроны к аноду, а положительно заряженные – к катоду.

Если напряженность электрического поля большая, то электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации других частиц газа в счетчике Гейгера. То есть снова образуются электроны, способные ионизировать другие атомы. В итоге образуется электронно-ионная лавина, которая провоцирует резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R.В этом и состоит принцип действия счетчика Гейгера: по возрастанию характеристик можно зарегистрировать попавшую в счетчик частицу.

Если взять очень большое сопротивление R, резко возросшее напряжение в сети быстро упадет на этом сопротивлении и прибор будет готов к регистрации новых частиц.

Как правило, счетчик Гейгера использую для регистрации электронов. Данное устройство позволяет зафиксировать только тот факт, что через него пролетела заряженная частица. Для более детального исследования заряженных частиц оно не пригодно.

Более детально изучать частицы позволяет прибор, изобретенный Чарльзом Вильсоном и названный впоследствии камерой Вильсона (см. рисунок 5).

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныРисунок 5 – Схема камеры Вильсона

Камера Вильсона состоит из стеклянного цилиндра (СЦ) со стеклянной крышкой (СК). Снизу в цилиндре находится подвижный поршень (ПП), на котором расположена черная ткань, смоченная в смеси воды и этилового спирта. Естественно получается, что воздух в камере наполнен парами воды и этилового спирта. Эту смесь воздуха и паров очищают от различных пылинок, ионов и прочего, на чем пары могли бы конденсироваться.

Если поршень резко отвести вниз, газ в камере расшириться, его внутренняя энергия уменьшится, температура понизится. Если бы смесь была неочищенной, пары воды и этилового спирта сконденсировались бы на примесях – ядрах конденсации (пылинках или ионах), однако их в камере нет. Поэтому газ становится пресыщенным – переходит в неустойчивое состояние, в котором он крайне легко может начать конденсироваться на любой попавшей в него частице, например, ионе.

Действие камеры Вильсона основано на применении способности пресыщенного газа мгновенно конденсироваться на любой попавшей в него частице. Излучаемые частицы влетают в камеру через небольшое отверстие (О) в боковой стенке цилиндра. Они пролетают по газу с большой скоростью, ионизирую его. Образованные ионы становятся ядрами конденсации. Получается, что вдоль всего пути следования частицы возникает след из капелек (он называется трек), который можно увидеть.

Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, которое действует на движущиеся электрические заряды, траектория движения частиц будет искривляться. По ее кривизне можно будет определить массу, энергию и заряд частицы. Возможность определить эти характеристики частиц, является большим преимуществом камеры Вильсона перед счетчиком Гейгера.

Стоит оговориться, что треки существуют в камере крайне недолго, поэтому их, как правило, фотографируют и изучают уже по фотографиям (на схеме Ф – фотоаппарат).

Что такое электрон

Электроны, двигающиеся вокруг ядра по сферической траектории, образуют так называемое электронное облако. А оно уже создаёт вокруг каждого атома его личное электромагнитное поле, оказывающее влияние на другие атомы.

Немного истории

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

В 1891 году в результате проведённых экспериментов ирландский физик Стони сумел вывести, что электричество переносится мельчайшими частицами, которые имеются в составе любого атома. Тогда же он и предложил назвать их электронами.

Спустя несколько лет, физики Перрен и Томсон нашли доказательства, что электрон имеет сугубо отрицательный заряд. Кроме того, они смогли рассчитать массу и скорость электрона.

Природа частицы

Отрицательная частица электрон имеет крайне маленькие размеры. Отдельные электроны не поможет разглядеть даже самый мощный микроскоп. Визуально их можно наблюдать только в виде размытого электронного облака вокруг ядра. Электрон — это устойчивая частица энергии, которая постоянно находится в движении. Вне движения он просто не существует. И не похоже, чтобы у этой энергетической единицы была какая-то структура. Но масса у него всё-таки есть, хотя, как и его габариты, она очень маленькая.

В теории электрон включает в себя 3 нематериальные квазичастицы, несущие о нём различную информацию. Всего их 3:

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

  1. Холон, отвечающий за заряд.
  2. Спинон, заведующий его вращением.
  3. Орбитон, говорящий о его положении на орбите.

Электроны обладают способностью поглощать энергию. В случаях, когда это происходит, атом, который в себе их содержит, переходит с одного энергетического уровня на другой. Если поглощенной энергии слишком много, электрон может выйти из атомной структуры и стать независимой частицей. При этом он будет проявлять волновые свойства.

Откуда взялись атомы?

Как известно, сейчас различные атомы сгруппированы в таблицу Менделеева. В ней насчитывается 118 (а если с предсказанными, но еще не открытыми элементами — 126) элементов, не считая изотопов. Но так было далеко не всегда.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

В самом начале формирования Вселенной никаких атомов не было и подавно, существовали лишь элементарные частицы, под воздействием огромных температур взаимодействующие между собой. Как сказал бы поэт, это был настоящий апофеоз частиц.  В первые три минуты существования Вселенной, из-за понижения температуры и совпадения еще целой кучи факторов, запустился процесс первичного нуклеосинтеза, когда из элементарных частиц появились первые элементы: водород, гелий, литий и дейтерий (тяжелый водород). Именно из этих элементов образовались первые звезды, в недрах которых проходили термоядерные реакции, в результате которых водород и гелий «сгорали», образуя более тяжелые элементы. Если звезда была достаточно большой, то свою жизнь она заканчивала так называемым взрывом «сверхновой», в результате которого атомы выбрасывались в окружающее пространство. Так и получилась вся таблица Менделеева.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныВселенная

Как устроен атом

Со временем учёные выяснили, что они крупно заблуждались: структура атома оказалась вовсе не монолитной. С постепенным увеличением точности приборов стало ясно, что она включает в себя 3 типа микрочастиц: положительно, отрицательно и нейтрально заряженные. Называются они следующим образом:

  1. Протон, «основной».
  2. Нейтрон, «ни тот ни другой».
  3. Электрон, «янтарь».

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Основа любого атома — это его ядро. Оно состоит из положительных и нейтральных микрочастиц, то есть из протонов и нейтронов. Их количество может быть одинаковым, а может и разниться. В результате получается, что ядро — это всегда положительно заряженная часть атома. Однако сам он заряжен нейтрально, и причина тому — электроны, летающие вокруг ядра по орбитальным спиралям. Такова общая схема строения атома.

Свойства вещества, которое может образовывать атом, напрямую зависят от количества микрочастиц в его составе. Каждая из них абсолютно идентична другой аналогичной микрочастице, поэтому они полностью взаимозаменяемы. Все электроны являются химическими «клонами» друг друга, то же самое правило касается протонов и нейронов. Именно поэтому ко всему веществу, имеющемуся в природе, можно применять общие законы химии, на основании которых оно будет работать.

Популярные статьи  Охранная зона лэп

Любые атомы состоят всего лишь из трёх простых микрочастиц, представленных в разных количествах. А более сложные структуры, молекулы, являются сочетаниями различных атомов, взятых в определённых пропорциях, то есть все без исключения объекты в природе — как живые, так и неживые, как очень сложные по своей структуре, так и простейшие — построены всего из трёх типов мелких «кирпичиков». Если в этот факт как следует вдуматься, он действительно способен поразить воображение.

Ядро: протоны и нейтроны

Общее название для составных частиц ядра, коими являются протоны и нейроны — нуклоны. Вместе они и составляют почти всю массу атома, а значит, и почти всю материю во Вселенной. Теория гласит, что каждый протон или нейтрон включает в себя ровно 3 составные частицы, именуемые кварками, между которыми имеется связующее глюонов облако. Кварки, согласно модели, являются такими же неделимыми частицами, как электроны. Глюоны же обеспечивают их взаимную связь друг с другом.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

В то же время сами атомные ядра чрезвычайно малы. Размеры каждого ядра в десятки тысяч раз меньше размеров всего атома. Но несмотря на это, почти вся атомная масса заключается в его положительно заряженном ядре, тогда как электрон представляет собой чисто энергетическую, нематериальную частицу. Получается, что материального вокруг нас вовсе не так много, как кажется на первый взгляд. Куда больше места занимают энергетические потоки, связывающие физическое вещество.

Число протонов, содержащихся в том или ином атоме, указывает на его порядковый номер в Периодической системе химических элементов. Например, у кислорода порядковый номер 8, а значит, и число протонов у него точно такое же. Формула, по которой вычисляется количество нейтронов: округлённая атомная масса минус число протонов. Атомная масса элемента указана под его порядковым номером в графической таблице Менделеева. Например, для атома хлора (Cl) это будет 35 — 17 = 18, для брома (Br) 80 — 35 = 45, а для серы (S) 32 — 16 = 16. С числом нейтронов связано понятие изотопа.

Процесс ионизации

Количество электронов в «чистом» атоме должно уравновешивать число протонов. Если же оно несколько больше или меньше, чем нужно, атом перестаёт быть нейтральным и обретает положительный или отрицательный заряд. Если электроны отсоединяются, общий заряд увеличивается, а в случае их присоединения — наоборот, уменьшается. Преобразованный таким образом атом называется ионом.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Возьмём для примера медь (Cu), относящуюся к классу простых веществ. В обычном состоянии у неё имеется 29 электронов. Но если она отдаст 2 электрона, у неё их останется всего 27. А сам атом меди превратится в положительный ион меди или, иначе, в катион меди. В их роли часто выступают всевозможные металлы (магний, алюминий, литий, натрий, хром), которые могут легко терять до трёх электронов.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В 30-е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд — α-частиц. В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах 20-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Характеристика частиц

Рассмотрим, как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме, и узнаем об их особенностях. Протон — это которая соответствует ядру атома водорода. Его масса превышает электрон в 1836 раз. Для определения единицы электричества, проходящего через проводник с заданным поперечным сечением, используют электрический заряд.

У каждого атома в ядре располагается определенное количество протонов. Оно является постоянной величиной, характеризует химические и физические свойства данного элемента.

Как найти протоны, нейтроны и электроны в атоме углерода? Порядковый номер данного химического элемента 6, следовательно, в ядре содержится шесть протонов. Согласно планетарной вокруг ядра по орбитам движется шесть электронов. Для определения количество нейтронов из значения углерода (12) вычитаем количество протонов (6), получаем шесть нейтронов.

Для атома железа число протонов соответствует 26, то есть этот элемент имеет 26-й порядковый номер в таблице Менделеева.

Нейтрон является электрически нейтральной частицей, нестабильной в свободном состоянии. Нейтрон способен самопроизвольно превращаться в положительно заряженный протон, испуская при этом антинейтрино и электрон. Средний период его полураспада составляет 12 минут. Массовое число — это суммарное значение количества протонов и нейтронов внутри ядра атома. Попробуем выяснить, как найти протоны, нейтроны и электроны в ионе? Если атом во время химического взаимодействия с другим элементом приобретает положительную степень окисления, то число протонов и нейтронов в нем не изменяется, меньше становится только электронов.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов

Альфа-, бета-, гамма-частицы. Излучение

В конце 19-го века французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что химический элемент уран излучает невидимые лучи неизвестной природы. Причем делает он это самопроизвольно (без воздействия извне). Это явление было названо радиоактивным излучением или просто явлением радиоактивности.

Так как явление было новое и необычное, за его изучение взялись многие ученые. Скоро было открыто, что явление радиоактивного излучения было присуще не только урану, но и другим химическим элементам (например, радию).

Способность атомов к самопроизвольному излучению назвали радиоактивностью.

Э. Резерфорд для изучения явления радиоактивности провел следующий опыт (см. рисунок 1а): небольшое количество радия (Р) помещалось в толстостенный свинцовый сосуд с отверстием в крышке (С). Радиоактивные лучи в таком случае не могут пройти сквозь стенки сосуда, но могут через отверстие – получается направленный пучок излучения (П). Напротив отверстия располагали фотопластинку (Ф). При проявлении фотопластинки место, куда попадал пучок излучения (напротив отверстия), выглядело как темное пятно.

Популярные статьи  Как компенсировать кратковременное отключение электричества?

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныРисунок 1 – Схема опыта по изучению радиоактивности

Затем на пути следования пучка излучения создавали магнитное поле (см. рисунок 1б). На фотопластинке в таком случае появлялось не одно, а три пятна – одно на прежнем месте (напротив отверстия) и два по бокам от него. Как известно, магнитное поле действует на движущиеся заряды. Более того, если два потока отклонились в разные стороны, значит это были потоки частиц разных знаков – положительных и отрицательных.

Получается, что поток излучения радия состоит из трех компонентов:

  • излучение, имеющее в своем составе положительно заряженные частицы;
  • излучение с отрицательно заряженными частицами;
  • излучение, не имеющее заряда (центральное пятно).

Положительно заряженные частицы, входящие в состав излучения, назвали альфа-частицами (иногда пишут α-частицы). В ходе дальнейших исследований было выяснено, что они представляют собой ионизированные атомы гелия 2+. То есть заряд альфа-частицы положителен и по модулю вдвое больше элементарного электрического заряда.

Отрицательно заряженные в составе излучения были названы бета-частицами (β-частицами). Они представляют собой поток электронов . То есть бета-частица имеет заряд (-1) – отрицательный и равный по модулю элементарному электрическому заряду.

Нейтральное излучение назвали гамма-частицами или гамма-квантами (γ-частицы или γ-кванты). Оно представляет собой один из видов электромагнитного излучения.

Так как до всех этих открытий уже было известно, что атом электрически нейтрален, а в опытах по исследованию радиоактивности оказалось, что электрически нейтральные атомы испускают положительно и отрицательно заряженные альфа- и бета-частицы, ученые сделали вывод, что все атомы состоят из заряженных частиц.

Основное и возбужденное состояние атома

Электронные формулы, которые мы составляли до этого, соответствуют основному энергетическому состоянию атома. Это наиболее выгодное энергетически состояние атома.

Однако, чтобы образовывать химические связи, атому в большинстве ситуаций необходимо наличие неспаренных (одиночных) электронов.  А химические связи энергетически очень для атома выгодны. Следовательно, чем больше в атоме неспаренных электронов  — тем больше связей он может образовать, и, как следствие, перейдёт в более выгодное энергетическое состояние.

Поэтому при наличии свободных энергетических орбиталей на данном уровне спаренные пары  электронов могут распариваться, и один из электронов спаренной пары может переходить на вакантную орбиталь. Таким образом число неспаренных электронов увеличивается, и атом может образовать больше химических связей, что очень выгодно с точки зрения энергии. Такое состояние атома называют возбуждённым и обозначают звёздочкой.

Например, в основном состоянии бор имеет следующую конфигурацию энергетического уровня:

+5B 1s22s22p1      1s    2s     2p 

На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):

+5B* 1s22s12p2      1s    2s     2p

Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!

15. Углерода

16. Бериллия

17. Кислорода

I. Фермионы

В этот класс входят 12 обычных частиц и столько же античастиц. Они противоположны по заряду: например, античастица отрицательно заряженного электрона — это положительно заряженный позитрон.

Эти 12 частиц, в свою очередь, можно поделить на две группы по 6 штук: кварки и лептоны.

Как устроен атом

Атом состоит из ядра, в котором сосредоточено более 99 % его массы, и электронной оболочки, окружающей его, как облако. Электроны, составляющие внешнюю оболочку, — это элементарные частицы. Ядро же состоит из протонов и нейтронов (вместе они называются нуклонами). Протоны заряжены положительно, чтобы компенсировать отрицательный заряд электронов на внешней оболочке, а нейтроны, как следует из названия, вообще не имеют заряда и «склеивают» ядро, не давая ему распасться (как это происходит с радиоактивными элементами).

Кварки — любители ходить в парах

В отличие от электронов кварки не могут существовать в свободном состоянии и соединяются в пары. Эти пары называются мезонами — это частицы, которые перемещаются между протонами и нейтронами и удерживают ядро в стабильном состоянии. Три кварка образуют нуклоны — протон или нейтрон. Частицы, состоящие из четырех или пяти кварков, являются экзотическими и отчасти вызывают гравитационное взаимодействие между телами.

Лептоны — одиночки

Второй тип фермионов — лептоны, их свойства совершенно другие. Кварки не могут существовать поодиночке, а лептоны, наоборот, не могут соединяться (если это, конечно, не частица со своей античастицей: объединяясь, они исчезают, выделяя энергию).

Долгое время ученые не могли понять, в чем «сила» электрона. В конце концов они нашли этому одно разумное объяснение: электрон — это единственная стабильная заряженная частица из своего класса. Остальные 5 заряженных лептонов не существуют дольше 2 микросекунд: они либо распадаются на несколько более мелких частиц, либо, наоборот, соединяются в одну более крупную.

Нейтрино — неуловимые лептоны

Еще один вид лептонов — нейтрино, практически неуловимые частицы, которые движутся в космосе со скоростью света. Еще с середины ХХ века проводятся эксперименты, чтобы их поймать и изучить. Многое в этих «неуловимых» частицах уже исследовано, и ученые даже пытались создать коммуникацию с их помощью, но идея осталась лишь в планах. Нейтрино могут быть индикаторами различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Например, в нашем Солнце протекает множество термоядерных реакций каждую секунду, и практически каждая такая реакция выделяет хотя бы одно нейтрино.

Нейтрино бывают нескольких видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Все эти названия взяты не с потолка.

Модели атомов

На протяжении долго времени ученые стремились познать природу атома. На раннем этапе большой вклад внес древнегреческий философ Демокрит. Хотя сейчас его теория и кажется нам банальной и слишком простой, в тот период, когда представления об элементарных частицах только начинало зарождаться, его теория о кусочках материи воспринималась совершенно серьезно. Демокрит считал, что свойства любого вещества зависят от формы, массы и других характеристик атомов. Так, например, у огня, полагал он, острые атомы – поэтому огонь обжигает; у воды атомы гладкие, поэтому она способна течь; у твердых предметов, по его представлению, атомы были шереховатые.

Демокрит считал, что из атомов состоит абсолютно все, даже душа человека.

В 1904 году Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома. Основные положения теории сводились к тому, что атом представлялся положительно заряженным телом, внутри которого находились электроны с отрицательным зарядом. Позже эта теория была опровергнута Э. Резерфордом.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныРис. 2. Модель атома Томсона.

Также в 1904 году японским физиком Х. Нагаока была предложена ранняя планетарная модель атома по аналогии с планетой Сатурн. Электроны по этой теории объединены в кольца и вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Эта теория оказалась ошибочной.

В 1911 году Э. Резерфорд, проделав ряд опытов, сделал выводы, что атом по своему строению похож на планетную систему. Ведь электроны, словно планеты, движутся по орбитам вокруг тяжелого положительно заряженного ядра. Однако это описание противоречило классической электродинамике. Тогда датский физик Нильс Бор в 1913 году ввел постулаты, суть которых заключалась в том, что электрон, находясь в некоторых специальных состояниях, не излучает энергию. Таким образом, постулаты бора показали, что для атомов классическая механика неприменима. Планетарная модель, описанная Резерфордом и дополненная Бором, получила название – планетарная модель Бора-Резерфорда.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроныРис. 3. Планетарная модель Бора-Резерфорда.

Дальнейшее изучение атома привело к созданию такого раздела, как квантовая механика, с помощью которого объяснялись многие научные факты. Современные представления об атоме развились из планетарной модели Бора-Резерфорда.

Что мы узнали?

В данной статье по химии (8 класс) рассказывается кратко и понятно о строении атома. На протяжении многих веков ученые разных стран изучали мельчайшие частицы вещества. Появлялись разные теории, модели и разные формулы строения атома. Современные представления об атоме основываются на модели Бора-Резерфорда, по которой атом состоит из ядра и электронного облака, в котором электроны движутся вокруг ядра.

  1. /10

    Вопрос 1 из 10

Энергия атомного ядра

После того, как нейтроны были открыты, ядерная физика, а также химия и технологии сделали огромный шаг вперед. Перед человеком открылся новый, практически неисчерпаемый и в то же время опасный источник энергии.

Начало ядерной эры человечество ощутило на себе в 1945 году, когда США испытало в действии разрушительную первую ядерную бомбу «Тринити», сбросив ее на японские города Хиросима и Нагасаки.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Первое использование ядерной энергии в мирных целях следует отнести к середине 50-х годов XX века, когда в 1953 году был построен первый ядерный реактор, который заменил дизельный двигатель на американской подводной лодке «Наутилус».

Популярные статьи  Что такое термоэлектрический генератор?

Краткая история открытия протона и нейтрона

Протон является ядром водородного атома. Водород — элемент с максимально простым строением.

Характерные черты протона:

  1. Имеет положительный заряд.
  2. Является одной из самых стабильных частиц в мире.
  3. Образовались во время Большого Взрыва и так и не распались до сих пор.
  4. Масса протона — 1,6726×10-27 килограмм или же 938,272 МэВ.
  5. Часто протоны выражают в виде электронвольт.

Именно Резерфордом была выдвинута теория о том, что все атомные ядра у всех химических элементов складываются из протонов, потому что по своей массе все они превышают ядро водородного атома в несколько раз.

Резерфордом был поставлен опыт. В его время было уже известно о естественной радиоактивности некоторого числа химических элементов. При помощи альфа-излучения Резерфорд пытался облучить атомы азота. В конце облучения появлялась частица. Резерфордом была выдвинута мысль о том, что данная частица — протон. В пузырьковой камере Вильсона были проведены еще опыты по выявлению протона. В итоге предположение Резерфорда подтвердилось.

Резерфорд, рассмотрев свои опыты, нашел в них ошибки. Так была выдвинута еще одна идея — о существовании в ядре еще одной элементарной частицы с практически такой же массой, что и у протона. Но в результате экспериментов он не смог ее обнаружить.

Им был поставлен опыт, в ходе которого происходила бомбардировка атомов бериллия сильно заряженными альфа-частицами. В процессе атомной реакции из ядра элемента бериллий вылетела частица, которую потом назвали нейтроном. Через три года после своего опыта Джеймс Чедвик получил Нобелевскую премию.

Масса нейтрона ненамного отличается от индекса массы протона. Масса составляет 1,622×10-27

Однако важной особенностью нейтрона является то, что эта частица абсолютно не обладает никаким зарядом. Нейтрон является нейтральной частицей, но, тем не менее, вызывает деление самых тяжелых ядер

Как раз-таки из-за того, что у нейтрона нет заряда, эта частица обладает способность проходить высокий потенциальный барьер Кулона, а также внедряться в состав ядра. Нейтрон является крайне нестабильной частицей и живет всего 900 секунд. Нейтрон распадается на электрон, протон и нейтрино электронное.

Условное обозначение, характеристики протона и нейтрона

Протон

В физике принято обозначать протон буквой «p». В химии протон обозначается как H+, а в астрофизике как HII.

Немного об особенностях протона:

  1. Масса протона составляет 1,6726×10-27 килограмм или же 938,272 МэВ. Это в 1800 раз больше, чем масса электрона.
  2. Спин протона равен 12, на основании этого факта протон можно отнести к фермионам.
  3. Четность внутренняя протона является положительной.
  4. В типологии простейших частиц протон занимает место среди адронов.
  5. Обладает возможностью вступать во все фундаментальные реакции (взаимодействия) — электромагнитное, сильное, гравитационное, слабое.
  6. Электрический протонный заряд является положительным. Он равен по модулю заряда электрона e=+16022×10-19Кл.
  7. Не является частицей точечной, имеет уникальную структуру внутреннюю, а также точные размеры.
  8. На протоне построены такие фундаментальные частицы как глюоны и кварки.
  9. Величина протона составляет порядка 1 фм.
  10. Радиус протона — 0,841 фм.
  11. Протон является стабильной частицей. Большое количество экспериментов с протоном не показало никаких следов его распада.
  12. Название частицы предложил ее создатель в 1920 году.

Нейтрон

Немного об особенностях нейтрона в физике:

  1. Масса нейтрона составляет 1,622×10-27, что ненамного превышает массу протона.
  2. Электрический заряд нейтрона равен нулю. В результате экспериментов было выявлено, что его электрический заряд равен (-,2±,8)×10-21 элементарного электрического заряда.
  3. Спин нейтрона равен 12. Является фермионом.

Ядро атома. Изотопы

Атом состоит из ядра, которое имеет положительный заряд, и электронов, которые имеют отрицательный заряд. В целом атом электронейтрален.

Положительный заряд ядра атома равен порядковому номеру химического элемента.

Ядро атома — сложная частица. В ней сосредоточена почти вся масса атома. Поскольку химический элемент — совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра, то около символа элемента указывают (рис. 6).

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

По этим данным можно определить состав ядра. Ядро состоит из протонов и нейтронов.

  • Протон (р) имеет массу, равную 1 (1,0073 а. е. м.) и заряд, равный +1.
  • Нейтрон (n) заряда не имеет (нейтрален), а масса его приблизительно равна массе протона (1,0087 а. е. м.).

Какие частицы определяют заряд ядра? Протоны! Причём число протонов равно (по величине) заряду ядра атома, т. е. порядковому номеру:

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Число нейтронов определяют по разности между величинами: «масса ядра» и «порядковый номер».

Задание 3.3. Определите состав ядер атомов, если химический элемент находится в:

  1. 3-м периоде, VII группе, главной подгруппе;
  2. 4-м периоде, IV группе, побочной подгруппе;
  3. 5-м периоде, I группе, главной подгруппе.

Обратите внимание, что при определении массового числа ядра атома приходится округлять атомную массу, указанную в Периодической системе! Почему? Ведь массы протона и нейтрона практически целочисленны, а массой электронов можно пренебречь. Для того,чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять:

Для того,чтобы ответить на этот вопрос, нужно понять:

  1. Что происходит с атомом в ходе химических процессов;
  2. Что такое «химический элемент».

В химических процессах обязательно изменяется распределение электронов вокруг ядра или даже изменяется их число. В последнем случае атом отдаёт или принимает электроны и превращается в заряженную частицу — ион. Но в химических реакциях никогда не меняется состав ядра атома, его заряд. Поэтому заряд ядра атома является своеобразным «паспортом» химического элемента.

Химический элемент — совокупность атомов или ионов с одинаковым зарядом ядра.

Для того чтобы разобраться, попробуйте определить, какие из ядер, состав которых указан ниже, принадлежат одному и тому же химическому элементу:

Атомам одного химического элемента принадлежат ядра А и В, так как они содержат одинаковое число протонов, т. е. заряд этих ядер одинаковый. Но ведь у них разная масса! Исследования показывают, что масса атома не оказывает существенного влияния на его химические свойства. Поэтому атомы одного и того же химического элемента (одинаковое число протонов), но с разной массой (разное число нейтронов) являются ИЗОТОПАМИ* этого элемента.

В таблице Менделеева указана средняя атомная масса всех природных изотопов данного элемента (Аr). Изотопы и их химические соединения отличаются друг от друга по физическим свойствам, но химические свойства у изотопов одного химического элемента одинаковы. Так, изотоп углерода-14 (14С) имеет такие же химические свойства, как и углерод-12 (12С), который входит в ткани любого живого организма, отличаясь от него только радиоактивностью. Поэтому изотопы применяют для диагностики и лечения различных заболеваний, для научных исследований.

Элемент «водород» встречается в природе в виде трёх изотопов:

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Химический элемент «кислород» также представлен тремя природными изотопами:

Задание 3.4. Укажите состав ядер этих изотопов водорода и кислорода.

Если разные вещества содержат атомы одного и того же химического элемента, это не означает, что эти вещества имеют одни те же свойства. Например, химический элемент «хлор» в виде атомарного хлора Cl• разрушает метан, а также атмосферный озон. Тот же элемент в виде молекулярного хлора Cl2 ядовит, активно реагирует с водой, многими металлами, а ионы хлора (химический элемент — тот же!) в составе NaCl химически инертен, а с биологической точки зрения не только безвреден, но и полезен для нас. Эти ионы являются макроэлементами нашей пищи, которые входят в состав крови, желудочного сока. Суточная потребность — до 6 граммов.

Но вернемся к описанию строения атома.

Строение атомов - элементарные частицы вещества, электроны, протоны, нейтроны

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: