Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 -14 … 10 -15 м (линейные размеры атома – 10 -10 м).
Атомное ядро состоит из элементарных частиц протонов и нейтронов. Протонно-нейтронная модель ядра была предложена российским физиком Д. Д. Иваненко, а впоследствии развита В. Гейзенбергом.
Протон (р
) имеет положительный заряд,
равный заряду электрона, и массу покоят
p
=
1,6726∙10 -27 кг
1836m
e
, гдеm
e
масса электрона.
Нейтрон (n
)нейтральная частица с массой покояm
n
=
1,6749∙10 -27 кг
1839т
e
,.
Массу протонов и
нейтронов часто выражают в других
единицах – в атомных единицах массы
(а.е.м., единица массы, равная 1/12 массы
атома углерода
).
Массы протона и нейтрона равны
приблизительно одной атомной единице
массы. Протоны и нейтроны называютсянуклонами
(от лат.nucleus
ядро). Общее число нуклонов в атомном
ядре называетсямассовым числомА
).
Радиусы ядер возрастают с увеличением массового числа в соответствии с соотношением R = 1,4А 1/3 10 -13 см.
Эксперименты показывают, что ядра не имеют резких границ. В центре ядра существует определенная плотность ядерного вещества, и она постепенно уменьшается до нуля с увеличением расстояния от центра. Из-за отсутствия четко определенной границы ядра его «радиус» определяется как расстояние от центра, на котором плотность ядерного вещества уменьшается в два раза. Среднее распределение плотности материи для большинства ядер оказывается не просто сферическим. Большинство ядер деформировано. Часто ядра имеют форму вытянутых или сплющенных эллипсоидов
Атомное ядро характеризуетсязарядом Ze, гдеZ зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева.
Ядро обозначается тем же символом, что
и нейтральный атом:
,
гдеX
символ
химического элемента,Z
атомный номер (число протонов в ядре),А
массовое
число (число нуклонов в ядре). Массовое
числоА
приблизительно равно массе
ядра в атомных единицах массы.
Так как атом нейтрален, то заряд ядра Z определяет и число электронов в атоме. От числа электронов зависитих распределение по состояниям в атоме. Заряд ядра определяет специфику данного химического элемента, т. е. определяет число электронов в атоме, конфигурациюих электронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.
Ядра с одинаковыми зарядовыми числами
Z
, но с разными массовыми числамиА
(т. е. с разными числами нейтронов
N = A – Z
), называются изотопами, а ядра
с одинаковымиА,
но разнымиZ –
изобарами. Например, водород (Z
= l)
имеет три изотопа:
Н
–
протий (Z
= l,N =
0),
Н
–
дейтерий (Z
= l,N
= 1),
Н
–
тритий (Z
= l,N
= 2), олово –
десять изотопов и т. д. В подавляющем
большинстве случаев изотопы одного и
того же химического элемента обладают
одинаковыми химическими и почти
одинаковыми физическими свойствами.
Е , МэВ
Уровни энергии
и наблюдаемые переходы для ядра атома бора
Квантовая теория строго ограничивает
значения энергий, которыми могут обладать
составные части ядер. Совокупности
протонов и нейтронов в ядрах могут
находиться только в определенных
дискретных энергетических состояниях,
характерных для данного изотопа.Когда электрон переходит из более
высокого в более низкое энергетическое
состояние, разность энергий излучается
в виде фотона. Энергия этих фотонов
имеет порядок нескольких электронвольт.
Для ядер энергии уровней лежат в интервале
примерно от 1 до 10 МэВ. При переходах
между этими уровнями испускаются фотоны
очень больших энергий (γ–кванты). Для
иллюстрации таких переходов на рис. 6.1
приведены пять первых уровней энергии
ядра
.Вертикальными линиями указаны наблюдаемые
переходы. Например, γквант
с энергией 1,43 МэВ испускается при
переходе ядра из состояния с энергией
3,58 МэВ в состояние с энергией 2,15 МэВ.
Состав ядра атома
В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) предложили протонно-нейтронную
модель
атомного ядра
.
Согласно этой модели ядро состоит из протонов и нейтронов.
Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом
A
: A
= Z
+ N
. Ядра химических элементов обозначают символом:
X
– химический символ элемента.
Например, – водород,
Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .
Ядерные силы
Для того, чтобы атомные ядра были устойчивыми, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядер огромными силами, во много раз превосходящими силы кулоновского отталкивания протонов. Силы, удерживающие нуклоны в ядре, называются ядерными . Они представляют собой проявление самого интенсивного из всех известных в физике видов взаимодействия – так называемого сильного взаимодействия. Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электростатические силы и на десятки порядков превосходят силы гравитационного взаимодействия нуклонов.
Ядерные силы обладают следующими свойствами:
- обладают силами притяжения;
- является силами короткодействующими (проявляются на малых расстояниях между нуклонами);
- ядерные силы не зависят от наличия или отсутствия у частиц электрического заряда.
Дефект массы и энергия связи ядра атома
Важнейшую роль в ядерной физике играет понятие энергии связи ядра .
Энергия связи ядра равна минимальной энергии, которую необходимо затратить для полного расщепления ядра на отдельные частицы. Из закона сохранения энергии следует, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Энергию связи любого ядра можно определить с помощью точного измерения его массы. В настоящее время физики научились измерять массы частиц – электронов, протонов, нейтронов, ядер и др. – с очень высокой точностью. Эти измерения показывают, что масса любого ядра M
я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов
: 
Разность масс называется дефектом масс . По дефекту массы с помощью формулы Эйнштейна E = mc 2 можно определить энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E св:
Эта энергия выделяется при образовании ядра в виде излучения γ-квантов.
Ядерная энергетика
В нашей стране была построена первая в мире атомная электростанция и запущена в 1954 году в СССР, в городе Обнинске. Развивается строительство мощных атомных электростанций. В настоящее время в России 10 действующих АЭС . После аварии на Чернобыльской АЭС приняты дополнительные меры по безопасности атомных реакторов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Атом состоит из положительно заряженного ядра, внутри которого находятся протоны и нейтроны, а по орбитам вокруг него движутся электроны. Ядро атома расположено в центре и в нем сосредоточена практически вся его масса.
По величине заряда ядра атома определяют химический элемент, к которому этот атом относится.
Существование атомного ядра было доказано в 1911 году Э. Резерфордом и описано в труде под названием «Рассеяние α и β-лучей и строение атома». После этого разными учеными выдвигались многочисленные теории строения атомного ядра (капельная (Н. Бор), оболочечная, кластерная, оптическая и т.д.).
Электронное строение ядра атома
Согласно современным представлениям атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые вместе называют нуклонами. Они удерживаются в ядре за счет сильного взаимодействия.
Число протонов в ядре называют зарядовым числом (Z). Его можно определить при помощи Периодической таблицы Д. И. Менделеева - оно равно порядковому номеру химического элемента, к которому относится атом.
Число нейтронов в ядре называют изотопическим числом (N). Суммарное количество нуклонов в ядре называют массовым числом (M) и оно равно относительной атомной массе атома химического элемента, указанной в Периодической таблице Д. И. Менделеева.
Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов называют изотонами. Если же в ядре одинаковое число протонов, но различное нейтронов - изотопами. В случае, когда равны массовые числа, но различный состав нуклонов - изобарами.
Ядро атома может находиться в стабильном (основном) состоянии и в возбужденном.
Рассмотрим строение ядра атома на примере химического элемента кислорода. Кислород имеет порядковый номер 8 в Периодической таблице Д. И. Менделеева и относительную атомную массу 16 а.е.м. Это означает, что ядро атома кислорода имеет заряд равный (+8). В ядре содержится 8 протонов и 8 нейтронов (Z=8, N=8, M=16), а по 2-м орбитам вокруг ядра движутся 8 электронов (рис. 1).
Рис. 1. Схематичное изображение строения атома кислорода.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
ПРИМЕР 2
| Задание | Охарактеризуйте квантовыми числами все электроны, которые находятся на 3p-подуровне. |
| Решение | На p-подуровне 3-го уровня находится шесть электронов: |
Протон представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e /m . В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер.
Схема опытов Резерфорда представлена .
Описание установки, с помощью которой удалось зарегистрировать нейтрон, можно посмотреть .
В отличие от электронов, протоны и нейтроны подвержены действию специфических ядерных сил. Ядерные силы являются частным случаем самых интенсивных в природе сильных взаимодействий. За счет ядерных сил протоны и нейтроны могут соединяться друг с другом, образуя различные атомные ядра.
Свойства протона и нейтрона по отношению к сильным взаимодействиям совершенно одинаковы, чем, по-видимому, и объясняется близость их масс. Поэтому в ядерной физике часто используется термин нуклон, обозначающий любую частицу, входящую в состав ядра, - как протон, так и нейтрон. Можно сказать, что протон и нейтрон являются двумя состояниями одной и той же частицы - нуклона.
Атом электрически нейтрален. Поэтому число протонов в ядре атома должно равняться числу электронов в атомной оболочке, т.е. атомному номеру Z . Общее число нуклонов (т.е. протонов и нейтронов) в ядре обозначается через A и называется массовым числом. Числа Z и A полностью характеризуют состав ядра. По определению:
| A = Z + N. |
Для обозначения различных ядер обычно используется запись вида Z X A , где X - химический символ, соответствующий элементу с данным Z . Например, выражение 4 Ве 9 обозначает ядро атома бериллия с Z = 4, A = 9, имеющее 4 протона и 5 нейтронов. Левый нижний индекс не является необходимым, поскольку атомный номер Z однозначно определяется названием элемента. Поэтому часто употребляется сокращенное обозначение типа Be 9 (читается «бериллий девять» ).
Ядра с одним и тем же Z и разными A называются изотопами. Например, у урана (Z = 92) есть изотопы 92 U 236 , 92 U 238 . Иногда употребляются термины изобары (для ядер с одинаковыми A и разными Z ) и изотоны (для ядер с одинаковыми N и разными Z ). Для обозначения атомов определенного изотопа используется термин нуклид.
Самым тяжелым из имеющихся в природе элементов является изотоп урана 92 U 238 . Элементы с атомными номерами больше 92 называются трансурановыми. Все они получены искусственно в результате различных ядерных реакций.
По своим чисто ядерным свойствам различные изотопы, как правило, имеют мало общего. Но в подавляющем большинстве случаев атомы различных изотопов обладают одинаковыми химическими и почти одинаковыми физическими свойствами, поскольку на структуру электронной оболочки атома ядро влияет практически только своим электрическим зарядом. Поэтому выделение какого-либо изотопа, например U 235 из его собственной смеси с 92 U 238 , является сложной технологической задачей, для решения которой используются небольшие различия в скоростях испарения, диффузии и некоторых других процессов, возникающие за счет различия масс изотопов.
Атомный номер Z равен электрическому заряду ядра в единицах абсолютной величины заряда электрона. Электрический заряд является целочисленной величиной, строго сохраняющейся при любых (в том числе и при неэлектромагнитных) взаимодействиях. Совокупность имеющихся экспериментальных данных о взаимопревращениях атомных ядер и элементарных частиц показывает, что кроме закона сохранения электрического заряда существует аналогичный, строгий закон сохранения барионного заряда. Именно, каждой частице можно присвоить некоторое значение барионного заряда, причем алгебраическая сумма барионных зарядов всех частиц остается неизменной при каких угодно процессах.
Барионные заряды всех частиц целочисленные. Барионный заряд электрона и γ-кванта равен нулю, а барионные заряды протона и нейтрона равны единице. Поэтому массовое число А является барионным зарядом ядра. Закон сохранения барионного заряда обеспечивает стабильность атомных ядер. Например, этим законом запрещается выгодное энергетически и разрешенное всеми остальными законами сохранения превращение двух нейтронов ядра в пару легчайших частиц γ-квантов.
Атомные ядра могут существовать лишь в ограниченной области значений величин A , Z . Вне этой области, если соответствующее ядро и возникает, то оно мгновенно (т.е. за характерное ядерное время τ ≤ 10 −21 с ) либо распадается на более мелкие ядра, либо испускает протон или нейтрон. Внутри области возможного существования далеко не все ядра стабильны.
 Рисунок 2.1. Протонно-нейтронная диаграмма атомных ядер. |
Известные к настоящему времени ядра нанесены на проточно-нейтронной диаграмме (рисунок 2.1). На ней плавными сплошными линиями обозначена теоретическая граница области возможного существования ядер. Экспериментальное установление этой границы затруднено тем, что при приближении к ней (изнутри) времена жизни ядер хотя и значительно превышают характерные (~10 −21 с ), но слишком малы для современной экспериментальной техники. Стабильные ядра образуют на протонно-нейтронной диаграмме дорожку стабильности. Заслуживают упоминания следующие эмпирические факты и закономерности в отношении A и Z для стабильных ядер:
|
Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами ).
Ядро было открыто Э. Резерфордом в 1911 г. при исследовании прохождения α -частиц через вещество. Оказалось, что почти вся масса атома (99,95%) сосредоточена в ядре. Размер атомного ядра имеет порядок величины 10 -1 3 -10 - 12 см, что в 10 000 раз меньше размера электронной оболочки.
Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода , выбитых α -частицами из ядер других элементов (1919-1920 гг.), привели уче-ного к представлению о протоне . Термин протон был введен в начале 20-х гг XX ст.
Протон (от греч. protons — первый, символ p ) — стабильная элементарная частица, ядро ато-ма водорода.
Протон — положительно заряженная частица, заряд которой по абсолютной величине равен заряду электрона e = 1,6 · 10 -1 9 Кл. Масса протона в 1836 раз больше массы электрона. Масса покоя протона m р = 1,6726231 · 10 -27 кг = 1,007276470 а.е.м.
Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон .
Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ви другой, символ n ) — это эле-ментарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.
Масса нейтрона в 1839 раз превышает массу электрона. Масса нейтрона почти равна (незначительно больше) массе протона: масса покоя свободного нейтрона m n = 1,6749286 · 10 -27 кг = 1,0008664902 а.е.м. и превосходит массу протона па 2,5 массы электрона. Нейтрон, наря-ду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер.
Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия α -частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало пре-граду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину (см. рисунок). Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это γ -кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных ней-тронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании α -частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:
Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса прибли-зительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время ~ 15 мин. распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.
После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра . Согласно этой моде-ли, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева .
Заряд ядра Q определяется числом протонов Z , входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона e :
Q = +Ze.
Число Z называется зарядовым числом ядра или атомным номером .
Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содер-жащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N . Таким образом, массовое число равно:
А = Z + N.
Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.
Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов .
Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topoa — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число прото-нов (Z ) и различное число нейтронов (N ).
Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного эле-мента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами Z и N . Общее обозначение нуклидов имеет вид ……. где X — символ химического эле-мента, A = Z + N — массовое число.
Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и про-изошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (b почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемен-та определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.
Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н — протий , 2 Н — дейтерий , 3 Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и хими-ческие свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве неболь-шой примеси (1: 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода . Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °С и замерзает при +3,8 ºС. Тритий β -радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.
У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактив-ные изотопы.
Изотопы урана. У элемента урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп составляет всего 1/140 часть от более распространенного .
