Чему равен заряд атома. Строение и заряд ядра атома

Из планетарной модели строения атомов нам известно, что атом представляет собой ядро, и вращающееся вокруг него облако электронов. Причем расстояние между электронами и ядром в десятки и сотни тысяч раз больше, чем размер самого ядра.

Что же представляет собой само ядро? Это маленький твердый неделимый шарик или оно состоит из более мелких частиц? Ни один существующий в мире микроскоп не в состоянии наглядно показать нам, что происходит на таком уровне. Там все слишком маленькое. Тогда как быть? Возможно ли вообще изучить физику атомного ядра? Как узнать состав и характеристики атомного ядра, если исследовать его нет возможности?

Заряд ядра атома

Самыми разнообразными косвенными опытами, высказывая гипотезы и проверяя их на практике, путем проб и ошибок, ученым удалось исследовать строение атомного ядра. Оказалось, что ядро состоит из еще более мелких частиц. От количества этих частиц зависит размер ядра, его заряд и химические свойства вещества. Причем частицы эти обладают положительным зарядом, что и компенсирует отрицательный заряд электронов атома. Частицы эти назвали протонами. Их количество в нормальном состоянии всегда равно количеству электронов. Вопрос, как определить заряд ядра, больше не стоял. Заряд ядра атома в нейтральном состоянии всегда равен числу вращающихся вокруг него электронов и противоположен по знаку заряду электронов. А определять количество и заряд электронов физики уже научились.

Строение атомного ядра: протоны и нейтроны

Однако в процессе дальнейших исследований возникла новая проблема. Оказалось, что протоны, обладая одинаковым зарядом, в некоторых случаях вдвое различаются по массе. Это вызвало множество вопросов и не состыковок. В конце концов, удалось установить, что в состав атомного ядра, кроме протонов входят еще некие частицы, практически равные протонам по массе, однако не обладающие никаким зарядом. Частицы эти назвали нейтронами. Обнаружение нейтронов разрешило все не состыковки в расчетах. В итоге протоны и нейтроны, как составляющие элементы ядра получили название нуклонов. Расчет любых значений, касающихся характеристик ядра, стал значительно более простым понятным. В образовании заряда ядра нейтроны участия не принимают, поэтому влияние их на химические свойства вещества практически не проявляется, однако нейтроны участвуют в образовании массы ядер, соответственно, влияют на гравитационные свойства ядра атома. Таким образом, присутствует некоторое косвенное влияние нейтронов на свойства вещества, но оно крайне незначительно.

Заряд ядра () определяет местоположение химического элемента в таблице Д.И. Менделеева. Число Z - это количество протонов в ядре. Кл — заряд протона, который равен по величине заряду электрона.

Еще раз подчеркнем, что заряд ядра определяет количество положительных элементарных зарядов, носителями которых являются протоны. А так как атом является в целом нейтральной системой, то заряд ядра определяет и количество электронов в атоме. А мы помним, что электрон имеет отрицательный элементарный заряд. Электроны в атоме распределяются по энергетическим оболочкам и подоболочкам в зависимости от их количества, следовательно, заряд ядра оказывает существенное влияние на распределение электронов по их состояниям. От количества электронов на последнем энергоуровне зависят химические свойства атома. Получается, заряд ядра определяет химические свойства вещества.

В настоящее время принято обозначать различные химические элементы следующим образом: , где X - символ химического элемента в периодической таблице, который соответствует заряду .

Элементы, у которых равны Z, но разные атомные массы (A) (это означает, что в ядре одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов) называют изотопами. Так, водород имеет два изотопа: 1 1 H-водород; 2 1 H-дейтерий; 3 1 H-тритий

Существуют устойчивые и неустойчивые изотопы.

Ядра, обладающие одинаковыми массами, но разными зарядами называются изобарами. Изобары в основном, встречаются среди тяжелых ядер, причем парами или триадами. Например, и .

Первым косвенное измерение заряда ядра сделал Мозли в 1913 г. Он установил связь между частотой характеристического рентгеновского излучения () и зарядом ядра (Z):

где C и B постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра был определен Чедвиком в 1920 г. при исследовании рассеяния ядер атома гелия на металлических пленках.

Состав ядра

Ядро атома водорода ) называется протоном. Масса протона равна:

Ядро состоит из протонов и нейтронов (вместе их называют нуклонами). Нейтрон был открыт в 1932 г. Масса нейтрона очень близка к массе протона. Нейтрон электрического заряда не имеет.

Сумму количества протонов (Z) и числа нейтронов (N) в ядре называют массовым числом A:

Поскольку массы нейтрона и протона очень близкие, каждая из них равна почти атомной единице массы. Масса электронов в атоме много меньше, массы ядра, поэтому считают, что массовое число ядра приблизительно равно относительной атомной массе элемента, если округлить его до целого.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Ядра являются очень устойчивыми системами, следовательно, протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами. Что Вы можете сказать об этих силах?

Решение

Сразу можно отметить, что силы, которые связывают нуклоны не относятся к гравитационным, которые являются слишком слабыми. Устойчивость ядра нельзя объяснить наличием электромагнитных сил, так как между протонами, как частицами несущими заряды одного знака может быть только электрическое отталкивание. Нейтроны же являются электрически нейтральными частицами. Между нуклонами действуют особый вид сил, которые называют ядерными силами. Эти силы почти в 100 раз сильнее электрических сил. Ядерные силы самые мощные из всех известных сил в природе. Взаимодействие частиц в ядре называют сильным. Следующая особенность ядерных сил - это то, что они являются короткодействующими. Ядерные силы становятся заметными только на расстоянии порядка см, то есть на расстоянии размера ядра.

ПРИМЕР 2

Задание

На какое минимальное расстояние может приблизиться ядро атома гелия, имеющее кинетическую энергию равную при лобовом столкновении, к неподвижному ядру атома свинца?

Решение

Сделаем рисунок. Рассмотрим движение ядра атома гелия ( - частицы) в электростатическом поле, которое создает неподвижное ядро атома свинца. - частица движется к ядру атома свинца с уменьшающейся до нуля скоростью, так как между одноименно заряженными частицами действуют силы отталкивания. Кинетическая энергия, которой обладала - частица, перейдет в потенциальную энергию взаимодействия - частицы и поля (), которое создает ядро атома свинца: Потенциальную энергию частицы в электростатическом поле выразим как: где - заряд ядра атома гелия; - напряженность электростатического поля, которое создает ядро атома свинца. Из (2.1) - (2.3) получаем:

То, что все предметы состоят из элементарных частиц, предполагали еще ученые Древней Греции. Но ни доказать этот факт, ни опровергнуть в те времена не было никакой возможности. Да и о свойствах атомов в древности могли лишь догадываться, основываясь на собственных наблюдениях за различными веществами.

Доказать, что все вещества состоят из элементарных частиц, удалось лишь в 19-м веке и то косвенно. В это же время физики и химики по всему миру пытались создать единую теорию элементарных частиц, описывающую их строение и объясняющую различные свойства, такие, например, как заряд ядра.

Изучению молекул, атомов и их строения были посвящены труды многих ученых. Физика постепенно перешла в изучение микромира - элементарных частиц, их взаимодействия и свойств. Ученые стали интересоваться, из чего состоит выдвигать гипотезы и пытаться их доказать, хотя бы косвенно.

В результате в качестве базовой теории была принята планетарная предложенная Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором. Согласно этой теории, заряд ядра любого атома положительный, в то время как по его орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, в итоге делая атом электрически нейтральным. Со временем данная теория была многократно подтверждена разного рода экспериментами, начиная с опытов одного из ее соавторов.

Современная ядерная физика считает теорию Резерфорда-Бора фундаментальной, все исследования атомов и их элементов основываются на ней. С другой стороны большинство гипотез, появившихся за последние 150 лет, практически так и не были подтверждены. Получается, что ядерная физика в своем большинстве является теоретической ввиду сверхмалых размеров изучаемых объектов.

Конечно же, в современном мире определить заряд ядра алюминия, например (или любого другого элемента) намного проще, чем в 19-м веке и тем более — в Древней Греции. Но делая новые открытия в данной области, ученые порой приходят к удивительным заключениям. Пытаясь найти решение одной задачи, физика сталкивается с новыми проблемами и парадоксами.

Изначально теория Резерфорда говорит о том, что химические свойства вещества зависят от того, каков заряд ядра его атома и, как следствие, от числа электронов, вращающихся по его орбитам. Современная химия и физика в полной мере подтверждают данную версию. Несмотря на то, что изучение структуры молекул изначально отталкивалось от простейшей модели — атома водорода, заряд ядра которого равен 1, теория в полной мере распространяется на все элементы таблицы Менделеева, включая и полученные искусственным путем в конце прошлого тысячелетия.

Любопытно, что еще задолго до исследований Резерфорда английский химик, врач по образованию Вильям Проут заметил, что удельный вес различных веществ кратен данному показателю водорода. Он тогда предположил, что все иные элементы попросту состоят из водорода на каком-то простейшем уровне. Что, например, частица азота — это 14 таких минимальных частиц, кислорода - 16 и т. д. Если рассматривать данную теорию глобально в современной интерпретации, то в целом она верна.

Наименование параметра	Значение
Тема статьи:	ЗАРЯД ЯДРА
Рубрика (тематическая категория)	Радио

Физические свойства атомных ядер.
Размещено на реф.рф
Заряд ядра. Размер ядра. Моменты ядер.
Размещено на реф.рф
Спин ядра. Магнитный и электрический моменты ядра. Масса ядра и масса атома. Дефект массы. Энергия связи. Основные особенности энергии связи. Основное правило. Ядерные силы: основные характеристики, кулоновский и ядерный потенциалы ядра. Обменный характер ядерных сил.

Закон Мозли. Электрический заряд ядра образуют протоны, входящие в его состав. Число протонов Z называют его зарядом, имея ввиду, что абсолютное значение заряда ядра равно Ze. Заряд ядра совпадает с порядковым номером Z элемента в периодической системе элементов Менделœеева. Впервые заряды атомных ядер определил английский физик Мозли в 1913 году. Измерив с помощью кристалла длину волны λ характеристического рентгеновского излучения для атомов некоторых элементов, Мозли обнаружил регулярное изменение длины волны λ у элементов, следующих друг за другом в периодической системе (рис.2.1). Это наблюдение Мозли интерпретировал зависимостью λ от некоторой константы атома Z , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:

где и - постоянные. Из экспериментов по рассеянию рентгеновских квантов атомными электронами и α -частиц атомными ядрами уже было известно, что заряд ядра примерно равен половинœе атомной массы и, следовательно, близок к порядковому номеру элемента. Поскольку испускание характеристического рентгеновского излучения является следствием электрических процессов в атоме, Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атомов, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента͵ должна быть только зарядом атомного ядра (закон Мозли).

Рис. 2.1. Рентгеновские спектры атомов сосœедних элементов, полученные Мозли

Измерение длин волн рентгеновского излучения выполняется с большой точностью, так что на базе закона Мозли принадлежность атома к химическому элементу устанавливается абсолютно надежно. Вместе с тем тот факт, что константа Z в последнем уравнении является зарядом ядра, хотя и обоснован косвенными экспериментами, в конечном счете держится на постулате – законе Мозли. По этой причине после открытия Мозли заряды ядер многократно измерялись в опытах по рассеянию α -частиц на базе закона Кулона. В 1920 году Чедвиг усовершенствовал методику измерения доли рассеянных α -частиц и получил заряды ядер атомов меди, серебра и платины (см. таблицу 2.1). Данные Чедвига не оставляют сомнений в справедливости закона Мозли. Помимо указанных элементов в экспериментах были определœены также заряды ядер магния, алюминия, аргона и золота.

Таблица 2.1. Результаты опытов Чедвика

Определœения. После открытия Мозли стало ясно, что основной характеристикой атома является заряд ядра, а не его атомная масса, как это предполагали химики 19 века, ибо заряд ядра определяет число атомных электронов, а значит, химические свойства атомов. Причина различия атомов химических элементов как раз и состоит в том, что их ядра имеют разное число протонов в своем составе. Напротив, разное число нейтронов в ядрах атомов при одинаковом числе протонов никак не меняет химические свойства атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядрах, называются изотопами химического элемента.

Атом с определœенным числом протонов и нейтронов в составе ядра принято называть нуклидом. Состав ядра задается числами Z и A . Об изотопе говорят только имея ввиду принадлежность к химическому элементу, к примеру, 235 U есть изотоп урана, но 235 U – делящийся нуклид, а не делящийся изотоп.

Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов, называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различным протон-нейтронным составом ядер, называются изобарами.

ЗАРЯД ЯДРА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЗАРЯД ЯДРА" 2017, 2018.

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

,

(9.1.1)

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

.

(9.1.3)

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

,

(9.1.4)

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке: