Как найти зарядовое число атома

Заря́довое число́ атомного ядра (синонимы: а́томный но́мер, а́томное число́, поря́дковый но́мер химического элемента) — количество протонов в атомном ядре. Зарядовое число равно заряду ядра в единицах элементарного заряда и одновременно равно порядковому номеру соответствующего ядра химического элемента в таблице Менделеева. Обычно обозначается буквой Z^[⇨].

Термин «атомный» или «порядковый» номер обычно используется в атомной физике и в химии, тогда как эквивалентный термин «зарядовое число» — в ядерной физике. В неионизированном атоме количество электронов в электронных оболочках совпадает с зарядовым числом.

Ядра с одинаковым зарядовым числом, но различным массовым числом A (которое равно сумме числа протонов Z и числа нейтронов N) являются различными изотопами одного и того же химического элемента, поскольку именно заряд ядра определяет структуру электронной оболочки атома и, следовательно, его химические свойства. Более трёх четвертей химических элементов существует в природе в виде смеси изотопов (см. Моноизотопный элемент), и средняя изотопная масса изотопной смеси элемента (называемая относительной атомной массой) в определённой среде на Земле определяет стандартную атомную массу элемента (ранее использовалось название «атомный вес»). Исторически именно эти атомные веса элементов (по сравнению с водородом) были величинами, которые измеряли химики в XIX веке.

Поскольку протоны и нейтроны имеют приблизительно одинаковую массу (масса электронов пренебрежимо мала по сравнению с их массой), а дефект массы нуклонного связывания всегда мал по сравнению с массой нуклона, значение атомной массы любого атома, выраженной в атомных единицах массы, находится в пределах 1 % от целого числа А.

История[править | править код]

Периодическая таблица и порядковые номера для каждого элемента[править | править код]

Поиски основы естественной классификации и систематизации химических элементов, основанной на связи их физических и химических свойств с атомным весом, предпринимались на протяжении длительного времени. В 1860-х годах появился ряд работ, связывающих эти характеристики — спираль Шанкуртуа, таблица Ньюлендса, таблицы Одлинга и Мейера, но ни одна из них не давала однозначного исчерпывающего описания закономерности. Сделать это удалось русскому химику Д. И. Менделееву. 6 марта 1869 года (18 марта 1869 года) на заседании Русского химического общества было зачитано сообщение Менделеева об открытии им Периодического закона химических элементов^[1], а вскоре его статья «Соотношение свойств с атомным весом элементов» была опубликована в «Журнале Русского физико-химического общества»^[2]. В том же году вышло первое издание учебника Менделеева «Основы химии», где была приведена его периодическая таблица. В статье, датированной 29 ноября 1870 года (11 декабря 1870 года), опубликованной в «Журнале Русского химического общества» под названием «Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов», Менделеев впервые употребил термин «периодический закон» и указал на существование нескольких не открытых ещё элементов^[3].

В своих работах Менделеев расположил элементы в порядке их атомных весов, но при этом сознательно допустил отклонение от этого правила, поместив теллур (атомный вес 127,6) впереди иода (атомный вес 126,9)^[4], объясняя это химическими свойствами элементов. Такое размещение элементов правомерно с учётом их зарядового числа Z, которое было неизвестно Менделееву. Последующее развитие атомной химии подтвердило правильность догадки учёного.

Модели атома Резерфорда-Бора и Ван ден Брука[править | править код]

В 1911 году британский физик Эрнест Резерфорд предложил модель атома, согласно которой в центре атома расположено ядро, содержащее б́ольшую часть массы атома и положительный заряд, который в единицах заряда электрона должен был быть равен примерно половине атомного веса атома, выраженного в числе атомов водорода. Резерфорд сформулировал свою модель на основе данных об атоме золота (Z = 79, A = 197), и, таким образом, получалось, что у золота должен быть заряд ядра около 100 (в то время как порядковый номер золота в периодической таблице 79). Через месяц после выхода статьи Резерфорда голландский физик-любитель Антониус ван ден Брук впервые предположил, что заряд ядра и число электронов в атоме должны быть точно равны его порядковому номеру в периодической таблице (он же — атомный номер, обозначаемый Z). Эта гипотеза в конечном счёте подтвердилась.

Но с точки зрения классической электродинамики, в модели Резерфорда электрон, двигаясь вокруг ядра, должен был бы излучать энергию непрерывно и очень быстро и, потеряв её, упасть на ядро. Чтобы разрешить эту проблему, в 1913 году датский физик Нильс Бор предложил свою модель атома. Бор ввёл допущение, что электроны в атоме могут двигаться только по определённым (стационарным) орбитам, находясь на которых, они не излучают энергию, а излучение или поглощение происходит только в момент перехода с одной орбиты на другую. При этом стационарными являются лишь те орбиты, при движении по которым момент количества движения электрона равен целому числу постоянных Планка^[5]: .

Эксперименты Мозли 1913 года и «пропавшие» химические элементы[править | править код]

В 1913 году британский химик Генри Мозли после дискуссии с Н.Бором решил проверить гипотезы Ван ден Брука и Бора на эксперименте^[6]. Для этого Мозли измерил длины волн спектральных линий фотонных переходов (линии K и L) в атомах алюминия (Z = 13) и золота (Z = 79), использовавшихся в качестве серии мишеней внутри рентгеновской трубки^[7]. Квадратный корень частоты этих фотонов (рентгеновских лучей) увеличивался от одной цели к другой в арифметической прогрессии. Это привело Мозли к заключению (закон Мозли), что значение атомного номера почти соответствует (в работе Мозли — со смещением на одну единицу для K-линий) вычисленному электрическому заряду ядра, то есть величине Z. Среди прочего эксперименты Мозли продемонстрировали, что ряд лантаноидов (от лантана до лютеция включительно) должен содержать ровно 15 элементов — не меньше и не больше, что было далеко не очевидно для химиков того времени.

После смерти Мозли в 1915 году его методом были исследованы атомные номера всех известных элементов от водорода до урана (Z = 92). Было обнаружено, что в периодической таблице отсутствуют семь химических элементов (с Z < 92), которые были идентифицированы как ещё не открытые, с атомными номерами 43, 61, 72, 75, 85, 87 и 91^[8]. Все эти семь «пропавших» элементов были обнаружены в период с 1918 по 1947 год: технеций (Z = 43), прометий (Z = 61), гафний (Z = 72), рений (Z = 75), астат (Z = 85), франций (Z = 87) и протактиний (Z = 91)^[8]. К этому времени также были обнаружены первые четыре трансурановых элемента, поэтому периодическая таблица была заполнена без пробелов до кюрия (Z = 96).

Протон и гипотеза «ядерных электронов»[править | править код]

К 1915 году в научном сообществе сложилось понимание того факта, что зарядовые числа Z, они же — порядковые номера элементов, должны быть кратны величине заряда ядра атома водорода, но не было объяснения причин этого. Сформулированная ещё в 1816 году гипотеза Праута предполагала, что водород является некоей первичной материей, из которой путём своего рода конденсации образовались атомы всех других элементов и, следовательно, атомные веса всех элементов, равно как и заряды их ядер, должны измеряться целыми числами. Но в 1907 году опыты Резерфорда и Ройдса^[en] показали, что альфа-частицы с зарядом +2 являются ядрами атомов гелия, масса которых превышает массу водорода в четыре, а не в два раза. Если гипотеза Праута верна, то что-то должно было нейтрализовать заряды ядер водорода, присутствующие в ядрах более тяжёлых атомов.

В 1917 году (в экспериментах, результаты которых были опубликованы в 1919 и 1925 годах), Резерфорд доказал, что ядро ​​водорода присутствует в других ядрах; этот результат обычно интерпретируют как открытие протонов^[9]. Эти эксперименты начались после того, как Резерфорд заметил, что, когда альфа-частицы были выброшены в воздух (в основном состоящий из азота), детекторы зафиксировали следы типичных ядер водорода. После экспериментов Резерфорд проследил реакцию на азот в воздухе и обнаружил, что когда альфа-частицы вводятся в чистый газообразный азот, эффект оказывается больше. В 1919 году Резерфорд предположил, что альфа-частица выбила протон из азота, превратив его в углерод. После наблюдения изображений камеры Блэкетта в 1925 году Резерфорд понял, что произошло обратное: после захвата альфа-частицы протон выбрасывается, поэтому тяжёлый кислород, а не углерод, является конечным результатом, то есть Z не уменьшается, а увеличивается. Это была первая описанная ядерная реакция: ¹⁴N + α → ¹⁷O + p.

Резерфорд назвал новые тяжёлые ядерные частицы протонами в 1920 году (предлагались альтернативные названия — «прутоны» и «протилы»). Из работ Мозли следовало, что ядра тяжёлых атомов имеют более чем вдвое большую массу, чем можно было бы ожидать при условии, что они состоят только из ядер водорода, и поэтому требовалось объяснение для «нейтрализации» предполагаемых дополнительных протонов, присутствующих во всех тяжелых ядрах. В связи с этим была выдвинута гипотеза о так называемых «ядерных электронах». Так, предполагалось, что ядро ​​гелия состоит из четырёх протонов и двух «ядерных электронов», нейтрализующих заряд двух протонов. В случае золота с атомной массой 197 и зарядом 79, ранее рассмотренном Резерфордом, предполагалось, что ядро атома золота содержит 118 этих «ядерных электронов».

Открытие нейтрона и его значение[править | править код]

Несостоятельность гипотезы «ядерных электронов» стала очевидной после открытия нейтрона^[en] Джеймсом Чедвиком в 1932 году^[10]. Наличие нейтронов в ядрах атомов легко объясняло расхождение между атомным весом и зарядным числом атома: так, в атоме золота содержится 118 нейтронов, а не 118 ядерных электронов, а положительный заряд ядра полностью состоит из 79 протонов. Таким образом, после 1932 года атомный номер элемента Z стал рассматриваться как число протонов в его ядре.

Символ Z[править | править код]

Зарядовое число обычно обозначается буквой Z, от нем. atomzahl — «атомное число», «атомный номер»^[11]
Условный символ Z, вероятно, происходит от немецкого слова Atomzahl (атомный номер)^[12], обозначающего число, которое ранее просто обозначало порядковое место элемента в периодической таблице и которое приблизительно (но не точно) соответствовало порядку элементов по возрастанию их атомных весов. Только после 1915 года, когда было доказано, что число Z является также величиной заряда ядра и физической характеристикой атома, немецкое слово Atomzahl (и его английский эквивалент англ. Atomic number) стали широко использоваться в этом контексте.

Химические свойства[править | править код]

Каждый элемент обладает определённым набором химических свойств как следствие количества электронов, присутствующих в нейтральном атоме, которое представляет собой Z (атомный номер). Конфигурация электронов в атоме следует из принципов квантовой механики. Количество электронов в электронных оболочках каждого элемента, особенно в самой внешней валентной оболочке, является основным фактором, определяющим его химические связи. Следовательно, только атомный номер определяет химические свойства элемента, и именно поэтому элемент может быть определён как состоящий из любой смеси атомов с данным атомным номером.

Новые элементы[править | править код]

При поиске новых элементов исследователи руководствуются представлениями об зарядовых числах этих элементов. По состоянию на конец 2019 года были обнаружены все элементы с зарядовыми числами от 1 до 118. Синтез новых элементов осуществляется путем бомбардировки атомов-мишеней тяжёлых элементов ионами таким образом, что сумма зарядовых чисел атома-мишени и иона-«снаряда» равна зарядовому числу создаваемого элемента. Как правило, период полураспада элемента становится короче с увеличением атомного номера, хотя для неизученных изотопов с определённым числом протонов и нейтронов могут существовать так называемые «острова стабильности»^[13].

См. также[править | править код]

• Атомная теория
• Гипотеза Праута
• Химический элемент
• Периодическая таблица химических элементов
• Список химических элементов

Примечания[править | править код]

Подробности

Обновлено 18.06.2019 18:07

Просмотров: 361

1. Как называются протоны и нейтроны вместе?

Протоны и нейтроны называются нуклонами.
То есть атомные ядра состоят из нуклонов.

2. Что называется массовым числом и какой буквой оно обозначается?

3. Что можно сказать о числовом значении массы атома (в а.е.м.) и его массовом числе?

Массовое число равно с точностью до целых (поскольку масса каждого нуклона примерно равна 1 а.е.м.) числу атомных единиц массы, содержащихся в массе атома.

4. Как называется и какой буквой обозначается число протонов в ядре?

5. Что можно сказать о зарядовом числе, заряде ядра (выраженном в элементарных электрических зарядах) и порядковом номере в таблице Д. И. Менделеева для любого химического элемента?

6. Как в общем виде принято обозначать ядро любого химического элемента?

Ядро любого химического элемента в общем виде обозначается .

7. Какой буквой обозначают число нейтронов в ядре?

8. Какой формулой связаны между собой массовое число, зарядовое число и число нейтронов в ядре?

A = Z + N

9. Как с точки зрения протонно нейтронной модели ядра объясняется существование ядер с одинаковыми зарядами и различными массами?

Следующая страница – смотреть

Назад в “Оглавление” – смотреть

Зарядовое число

Связанные понятия

В ядерной физике магические числа — натуральные числа, соответствующие количеству нуклонов в атомном ядре, при котором становится полностью заполненной какая-либо его оболочка.

А́томная ма́сса — масса атома. Единица измерения в СИ — килограмм, по факту обычно применяется внесистемная единица атомная единица массы.

Электронная оболочка атома — область пространства наиболее вероятного нахождения электронов, имеющих одинаковое значение главного квантового числа n и, как следствие, располагающихся на близких энергетических уровнях. Число электронов в каждой электронной оболочке не может превышать определенного максимального значения.

Энергия ионизации — разновидность энергии связи или, как её иногда называют, первый ионизационный потенциал (I1), представляет собой наименьшую энергию, необходимую для удаления электрона от свободного атома в его низшем энергетическом (основном) состоянии на бесконечность.Энергия ионизации является одной из главных характеристик атома, от которой в значительной степени зависят природа и прочность образуемых атомом химических связей. От энергии ионизации атома существенно зависят также восстановительные…

Про́тий — название самого лёгкого изотопа водорода, обозначается символом 1H. Ядро протия состоит из одного протона, отсюда и название изотопа. Оно было предложено 15 июня 1933 года Юри, Мерфи и Брикведде в письме редактору научного журнала «The Journal of Chemical Physics», где они отметили, что произвели название «протий» (англ. protium) от греческого слова «protos» («первый»).

Унуне́нний (лат. Ununennium, Uue) или эка-фра́нций — неоткрытый химический элемент в периодической таблице, с временным обозначением Uue и атомным номером 119, с прогнозированной атомной массой 316 а. е. м.Элемент 119 после его синтеза будет первым элементом в восьмом периоде периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева.

Кайносимметрия (др.-греч. καινός новый и симметрия) — термин обозначает орбитали новой симметрии, то есть нового их расположения в пространстве — такого явления, когда электронные орбитали в атомах химических элементов появляются впервые по мере увеличения атомного номера, а именно орбитали 1s, 2p, 3d, 4f, 5g. Такие орбитали называются кайносимметричными. Явление открыто, и термин введён в научный оборот профессором Сергеем Александровичем Щукарёвым (1893—1984), заведующим кафедрой неорганической…

А́льфа-распа́д — вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия 4He — альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2.

Периоди́ческая систе́ма хими́ческих элеме́нтов (табли́ца Менделе́ева) — классификация химических элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от их заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона, открытого русским учёным Д. И. Менделеевым в 1869 году.

Изотопная распространённость (или распространённость изотопов) — относительное количество атомов разных изотопов одного химического элемента; обычно выражается в % к сумме атомов всех долгоживущих (с периодом полураспада Т > 3⋅108 лет) изотопов данного элемента в среднем в природе (либо с отнесением к той или иной природной среде, планете, региону и т. п.). Точное измерение изотопной распространённости имеет большое значение для определения атомных масс элементов.

Изоба́ры (в ед.ч. изоба́р; др.-греч. ἴσος «одинаковый» + βάρος «вес») — нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40Ar, 40K, 40Ca.

Моноизотопный элемент, мононуклидный элемент, изотопно-чистый элемент, однородный элемент — химический элемент, характеристический изотопный состав которого включает только один изотоп. То есть такой элемент представлен в природе только одним изотопом.

Флеро́вий (лат. Flerovium, Fl), ранее был известен как унунква́дий (лат. Ununquadium, Uuq), использовалось также неофициальное название эка-свинец — 114-й химический элемент 14-й группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы IV группы), 7-го периода периодической системы, атомный номер 114, из известных изотопов наиболее устойчив 289Fl с атомной массой 289,190(4) а. е. м.. Элемент сильно радиоактивен.

Нукли́д (лат. nucleus — «ядро» и др.-греч. είδος — «вид, сорт») — вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом, атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

Атомная орбиталь — одноэлектронная волновая функция, полученная решением уравнения Шрёдингера для данного атома; задаётся: главным n, орбитальным l, и магнитным m — квантовыми числами.

Изомери́я а́томных я́дер — явление существования у ядер атомов метастабильных (изомерных) возбуждённых состояний с достаточно большим временем жизни.

Хими́ческий элеме́нт — совокупность атомов с одинаковым зарядом атомных ядер. Атомное ядро состоит из протонов, число которых равно атомному номеру элемента, и нейтронов, число которых может быть различным. Каждый химический элемент имеет своё латинское название и химический символ, состоящий из одной или пары латинских букв, регламентированные ИЮПАК и приводятся, в частности, в таблице Периодической системы элементов Менделеева.

Длина химической связи — расстояние между ядрами химически связанных атомов. Длина химической связи — важная физическая величина, определяющая геометрические размеры химической связи, её протяжённость в пространстве.

Изотопы технеция — разновидности атомов (и ядер) химического элемента технеция, имеющие разное содержание нейтронов в ядре.

Тео́рия оболо́чечного строе́ния ядра́ — одна из ядерно-физических моделей, объясняющих структуру атомного ядра, аналогично теории оболочечного строения атома. В рамках этой модели протоны и нейтроны заполняют оболочки атомного ядра, и, как только оболочка заполнена, значительно повышается стабильность ядра.

Унбигексий (лат. Unbihexium, Ubh) — временное систематическое название гипотетического химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева с временным обозначением Ubh и атомным номером 126.

Подгру́ппа углеро́да — химические элементы 14-й группы периодической таблицы химических элементов (по устаревшей классификации — элементы главной подгруппы IV группы).

Ио́нный ра́диус — характерный размер шарообразных ионов, применяемый для вычисления межатомных расстояний в ионных соединениях. Понятие “ионный радиус” основано на предположении, что размеры ионов не зависят от состава молекул, в которые они входят. На него влияет количество электронных оболочек и плотность упаковки атомов и ионов в кристаллической решётке.

Барн (русское обозначение: б, бн; международное: b) — внесистемная единица измерения площади, используется в ядерной физике для измерения эффективного сечения ядерных реакций, а также квадрупольного момента. 1 барн равен 10−28 м² = 10−24 см² = 100 фм² (примерный размер атомного ядра). Определяются также кратные и дольные единицы; из них используются…

Сверхтонкая структура — структура уровней энергии атомов, молекул и ионов и, соответственно, спектральных линий, обусловленная взаимодействием магнитного момента ядра с магнитным полем электронов. Энергия этого взаимодействия зависит от возможных взаимных ориентаций спина ядра и спинов электронов.

Бе́та-распа́д (β-распад) — тип радиоактивного распада, обусловленный слабым взаимодействием и изменяющий заряд ядра на единицу без изменения массового числа. При этом распаде ядро излучает бета-частицу (электрон или позитрон), а также нейтральную частицу с полуцелым спином (электронное антинейтрино или электронное нейтрино)

Изотопы никеля — разновидности химического элемента никеля, имеющие разное количество нейтронов в ядре.

Внутренняя конве́рсия (от лат. conversio — обращение, вращение, превращение, изменение) — физическое явление, заключающееся в том, что переход атомного ядра из возбуждённого изомерного состояния в состояние с меньшей энергией (или основное состояние) осуществляется путём передачи высвобождаемой при переходе энергии непосредственно одному из электронов этого атома. Таким образом, в результате этого явления испускается не γ-квант, а так называемый конверсионный электрон, кинетическая энергия которого…

Нейтро́нный захва́т — вид ядерной реакции, в которой ядро атома соединяется с нейтроном и образует более тяжёлое ядро…

Я́дерная реа́кция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. Последствием взаимодействия может стать деление ядра, испускание элементарных частиц или фотонов. Кинетическая энергия вновь образованных частиц может быть гораздо выше первоначальной, при этом говорят о выделении энергии ядерной реакцией.

Изотопы висмута — разновидности химического элемента висмута, имеющие разное количество нейтронов в ядре.

Радиус атома — расстояние между атомным ядром и самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома.

Электро́нная пло́тность — плотность вероятности обнаружения электрона в данной точке конфигурационного пространства.

А́том (от др.-греч. ἄτομος «неделимый, неразрезаемый») — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Унбини́лий (лат. Unbinilium, Ubn) или эка-радий — временное, систематическое название гипотетического химического элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева с временным обозначением Ubn и атомным номером 120.

Релятивистская квантовая химия — раздел квантовой химии, использующий понятия из области квантовой механики и теории относительности для объяснения и предсказания свойств и структур соединений или атомов. Речь идёт об атомах, электроны которых имеют характерные скорости движения близкие к скорости света (0,2 с и выше). Примером могут служить атомы тяжёлых и сверхтяжёлых элементов.

Оганесо́н (лат. Oganesson, Og), ранее был известен под временными названиями унуно́ктий (лат. Ununoctium, Uuo) или э́ка-радо́н — химический элемент восемнадцатой группы (по устаревшей классификации — главной подгруппы восьмой группы), седьмого периода периодической системы химических элементов, атомный номер — 118. Наиболее стабильным (и единственным известным на 2016 год) является нуклид 294Og, чей период полураспада оценивается в 1 мс, а атомная масса равна 294,214(5) а. е. м. Искусственно синтезированный…

Акти́ний — химический элемент с атомным номером 89, обозначается в периодической системе элементов символом Ac (лат. Actinium). Не имеет стабильных изотопов. При нормальных условиях представляет собой тяжёлый серебристо-белый металл.

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством…

Трансура́новые элеме́нты (заурановые элементы, трансураны) — радиоактивные химические элементы, расположенные в периодической системе элементов Д. И. Менделеева за ураном, то есть с атомным номером выше 92.

Техне́ций — элемент седьмой группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы седьмой группы), пятого периода периодической системы химических элементов, атомный номер — 43. Обозначается символом Tc (лат. Technetium). Простое вещество технеций — радиоактивный переходный металл серебристо-серого цвета. Самый лёгкий элемент, не имеющий стабильных изотопов. Первый из синтезированных химических элементов. Только около 18 000 тонн естественно образовавшегося технеция могут быть найдены в любой…

Эле́ктроотрица́тельность (χ) (относительная электроотрицательность) — фундаментальное химическое свойство атома, количественная характеристика способности атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары, то есть способность атомов оттягивать к себе электроны других атомов. Самая высокая степень электроотрицательности у галогенов и сильных окислителей (p-элементов, F, O, N, Cl), а низкая — у активных металлов (s-элементов I группы).

Атом водорода — физико-химическая система, состоящая из атомного ядра, несущего элементарный положительный электрический заряд, и электрона, несущего элементарный отрицательный электрический заряд. В состав атомного ядра как правило входит протон или протон с одним или несколькими нейтронами, образуя изотопы водорода. Электрон преимущественно находится в тонком концентрическом шаровом слое вокруг атомного ядра, образуя электронную оболочку атома. Наиболее вероятный радиус электронной оболочки атома…

Гру́ппа периодической системы химических элементов — последовательность атомов по возрастанию заряда ядра, обладающих однотипным электронным строением.

Изотопы железа — разновидности химического элемента железа, имеющие разное количество нейтронов в ядре.

Аста́т — химический элемент с атомным номером 85. Принадлежит к 17-й группе периодической таблицы химических элементов (по устаревшей короткой форме периодической системы принадлежит к главной подгруппе VII группы, или к группе VIIA), находится в шестом периоде таблицы. В природе отсутствует, массовое число наиболее стабильного из известных изотопов равно 210(его атомная масса равна 209,98715(5) а. е. м.). Обозначается символом At (от лат. Astatium). Радиоактивен. Простое вещество астат при нормальных…

Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер; общее название для протонов и нейтронов — нуклоны.

Тепловые нейтроны или медленные нейтроны — свободные нейтроны, кинетическая энергия которых близка к средней энергии теплового движения молекул газа при комнатной температуре (примерно 0,025 эВ).

Остров стабильности — гипотетическая трансурановая область на карте изотопов, для которой (в соответствии с теорией оболочечного строения ядра М. Гёпперт-Мейер и Х. Йенсена, удостоенных в 1963 Нобелевской премии) вследствие предельного заполнения в ядре протонных и нейтронных оболочек, время жизни изотопов значительно превышает время жизни «соседних» трансурановых изотопов, делая возможным долгоживущее и стабильное существование таких элементов, в том числе в природе.

Физика 9 класс

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 56. Состав атомного ядра. Массовое число. Зарядовое

число. Ядерные силы

Ерюткин Евгений Сергеевич

учитель физики высшей категории ГОУ СОШ №1360

Москва

2011

Здравствуйте! Сегодняшний урок будет посвящен вопросу, связанному с обсуждением строения ядра атома, зарядовому числу, массовому числу, поговорим также о том, что такое ядерные силы. Наш урок – это подведение некоторого промежуточного итога по всем ранее изученным вопросам. Мне бы хотелось сказать то, что мы изучали вопросы, связанные со строением атома и строением ядра. Поэтому сегодня мы поговорим именно об этом. Некоторый итог предыдущим темам, предыдущим вопросам. Прежде чем мы перейдем к тому вопросу, который обозначен первым, мы поговорим вот о чем. На предыдущем уроке мы говорили, что Резерфорд в своих экспериментах установил, что существует такая частица, как протон. Через некоторое время в 1932 году Чедвик установил, что существует еще одна частица, которая называется нейтрон. После этого открытия независимо друг от друга два человека, русский ученый Иваненко и немецкий ученый Гейзенберг, предложили протонно-нейтронную модель строения ядра атома. По этой теории Иваненко – Гейзенберга, ядро любого атома содержит протоны и нейтроны. Эти протоны и нейтроны вместе, те, которые находятся в ядре атома, было решено называть нуклонами. Таким образом, «нуклон» (от лат. «ядро») – общее название для протонов и нейтронов. Те частицы, которые имеют заряд, и те частицы, которые заряд не имеют, нейтроны, эти все частицы вместе называются нуклонами. Давайте еще вот о чем поговорим. Идея о заряде ядра была впервые выдвинута в 1913 году английским ученым Генри Мозли. Он предложил, что, раз атом электронейтрален, порядковый номер элемента, умноженный на элементарный электрический заряд, это и есть заряд ядра. Каким образом Мозли пришел к такому заключению? Дело в том, что количество электронов в атоме соответствует порядковому номеру. Значит, заряд всех электронов – это произведение порядкового номера на заряд одного электрона. Поскольку в ядре сосредоточен положительный заряд, значит, то же самое можно говорить и о ядре. Давайте посмотрим на то, как пришел Мозли именно к тому, что мы называем зарядовым числом. Посмотрите:

q_Я = Z^. |e|

q_Я – заряд ядра

е – заряд электрона

Z – число протонов в ядре, зарядовое число

Заряд числа, по такому утверждению, определяется как произведение порядкового номера на элементарный электрический заряд. В данном случае е – это заряд электрона, элементарный электрический заряд его называют, и взят он по модулю, потому что понятно, что заряд ядра у нас положительный. В этом случае порядковый номер стали называть зарядовым числом, порядковый номер – это число, соответствующее числу протонов в ядре. Таким образом, мы, говоря о порядковом номере, можем говорить о количестве протонов в ядре. Следующее число, о котором необходимо сказать, – это число массы. Оно, это число, обозначено буквой А, и это самое число берут то же из таблицы Менделеева и округляют его до целых. Дальше мы можем говорить о том уравнении, которое называется во всем мире уравнением Иваненко – Гейзенберга. Это уравнение состоит из трех чисел: массового числа, зарядового числа и числа нейтронов. Давайте посмотрим, как оно записывается и как обозначаются данные величины.

Уравнение Иваненко – Гейзенберга

А = Z + N

А – массовое число,

Z – порядковый номер элемента,

N – число нейтронов в ядре

Посмотрите: массовое число А говорит о том, какое количество нуклонов входит в ядро. Оказалось, что, по таблице Менделеева определяя массовое число химического элемента, мы определяем число нуклонов в ядре атома.

Z, как мы говорили, будет порядковый номер и число протонов в ядре. N в данном случае – это число нейтронов. Таким образом, мы можем из этого уравнения определить число нейтронов, число протонов, зная массовое число и порядковый номер. Здесь необходимо отметить важный момент. Дело в том, что в 1913 году еще один ученый Содди (вы помните, что этот человек работал вместе с Резерфордом) установил интересную вещь. Выяснено было, что существуют химические элементы с абсолютно одинаковыми химическими свойствами, но разным массовым числом. Такие элементы, у которых одинаковые химические свойства, но разное массовое число, стали называть изотопами. Изотопы – это химические элементы с одинаковыми химическими свойствами, но с различной массой атомных ядер.

Еще надо добавить, что у изотопов разная радиоактивность. Все это вместе привело к изучению этого вопроса. Здесь показаны изотопы легких и тяжелых элементов химических. Давайте посмотрим. Мы выбрали специально разные области таблицы Менделеева, чтобы показать, что практически все элементы химические имеют изотопы.

Изотопы:

Н – протий U

H – дейтерий U

Н – тритий

У водорода этих изотопов три. Первый изотоп Н называется протий. Обратите внимание, что порядковый номер ставится внизу, вот это число Z, а сверху пишется массовое число – это число А. Сверху А, внизу Z, и если мы понимаем, что это обозначает, что в ядре атома протия самый простой химический элемент, самый распространенный во вселенной. Там всего лишь 1 протон, а нейтронов в этом ядре совсем нет. Есть второй вид водорода – это дейтерий. Наверное, многие слышали такое слово. Обратите внимание: порядковый номер 1, а массовое число равно 2. Так что ядро дейтерия состоит уже из 1 протона и из одного нейтрона. И есть еще один изотоп водорода. Называется тритий. Тритий как раз (порядковый номер первый), а массовое число говорит о том, что в ядре этого изотопа находятся 2 нейтрона. И еще один элемент – это уран. Совсем другая сторона таблицы Менделеева. Это уже тяжелые элементы. У урана 2 изотопа распространенных. Это уран 235. Порядковый номер 92, а массовое число 235. Сразу можно говорить о том, чем отличается ядро одного элемента от другого. Второй изотоп: тоже порядковый номер 92, а массовое число 238. Очень часто, когда идет речь об изотопах, в частности урана, никогда не говорят порядкового номера. Просто говорят «уран», называют химический элемент и говорят его массовое число – 238. Или уран 235. Мы обсуждаем этот вопрос по той простой причине, что знаем, как сегодня этот химический элемент важен для энергетики нашей страны и вообще мировой энергетики в целом.

Следующий вопрос, который мы должны затронуть, вытекает из сказанного. Как эти частицы, эти нуклоны удерживаются внутри ядра? Мы назвали различные химические элементы, изотопы различные, особенно у тяжелых элементов, там, где нуклонов, т.е. протонов и нейтронов, много. Как, каким образом они удерживаются внутри ядра? Мы знаем, что в маленьком ядре расстояния, размеры ядра очень и очень малы, бывает собрано большое количество частиц нуклонов. Как эти нуклоны там так плотно, тесно удерживаются, какими силами? Ведь за счет электростатического отталкивания эти частицы должны очень быстро распадаться, разлетаться. Мы знаем, что разноименные только заряды притягиваются, частицы, заряженные разноименными зарядами. Если частицы заряжены одноименно, понятно, что они должны отталкиваться. Внутри ядра находятся протоны. Они положительно заряжены. Размер ядра очень мал. В этом же ядре находятся еще и нейтроны, значит, должны быть силы, которые удерживают вместе те и другие частицы. Эти самые силы называют ядерными силами. Ядерные силы – это силы притяжения, действующие между нуклонами. Можно сказать, что у этих сил существуют свои особые свойства.

Первое свойство, о котором мы должны сказать, – это то, что ядерные силы должны превосходить силы электростатического отталкивания. И это так, когда удалось их определить, то выяснилось, что они в 100 раз превосходят силы электростатического отталкивания. Еще одно очень важное замечание, что действуют ядерные силы на малом расстоянии. Например, 10^-15м – это и есть диаметр ядра, эти силы действуют. Но стоит только увеличиться размеру ядра до 10^-14, казалось, совсем немного, то это приводит к тому, что ядро обязательно распадется. На этом расстоянии уже ядерные силы не действуют. А силы электростатического отталкивания продолжают действовать и именно они отвечают за то, что ядро распадается.

Еще можно сказать о ядерных силах то, что они не центральны, т.е. они не действуют вдоль прямой, соединяющей эти частицы. И то, что ядерные силы не зависят от того, обладает частица зарядом или не обладает, потому что в ядро входят и протоны, и нейтроны. Вместе эти частицы находятся. Таким образом, вывод: эти частицы, нуклоны, удерживаются в ядре за счет ядерных сил, и эти силы действуют только в ядре. Еще можно отметить, что ядерные силы имеют важное значение в плане стабильности ядра. Отвечают за долговременность существования этого элемента. В заключение мы можем отметить еще одно: когда мы будем говорить об энергетике, вот здесь именно ядерные силы будут играть основную роль. Об этом мы поговорим на следующих уроках. До свидания.

Задание к уроку.

1. Определите нуклонный состав ядер железа  (количество нуклонов, протонов, нейтронов).

2. В ядре атома химического элемента 22 протона и 26 нейтронов. Назовите этот химический элемент.

3. Оцените силу гравитационного взаимодействия между двумя нейтронами в ядре. Масса нейтрона примерно равна 1,7*10^-27 кг, расстояние между нейтронами  примите равным  10^-15 м, значение гравитационной постоянной 6,67*10^-11 (Н*м²)/кг².