Какие частицы входят в состав атома

Из чего состоят атомы?

На уроке физики многие проходили строение атома. С годами информация забывается, поэтому сложно вспомнить, о чём рассказывали в школе. При этом возникает интерес, что же собой представляет атом, ведь именно из него состоит всё материальное во Вселенной. Следует разобраться в его структуре и функциях, чтобы вникнуть в тему. Учёные дали однозначный ответ на вопрос, из чего состоят атомы.

Что такое атом?

В школьной программе сказано, что атом – это наименьшая частица любого химического элемента. Следовательно, он есть во всём, что окружает в мире. Не важно, идёт речь о неодушевлённом или одушевлённом объекте. Любой предмет на низших химических и физиологических слоях состоит из атомов. Другой вопрос, из чего состоит частица.

Размеры: атома, протона, кварка

Атомы – это элементы, входящие в состав молекулы. При этом они не самые маленькие во вселенной. Есть ещё кварки, о которых не принято рассказывать в школе и даже в высшем учебном заведении. Они меньше атомов, представляют собой химический элемент без внутренней структуры. По строению они значительно легче частей молекулы. Учёным удалось обнаружить 6 разновидностей кварков.

Строение атома

Во вселенной каждый предмет из чего-то состоит. Допустим, стул сделан из дерева, а оно из молекул. В состав молекул входят атомы. В них есть ядро, внутри которого нейтроны и протоны. Это приходилось слышать всем на уроках физики. Протоны представляют собой частицы с положительным зарядом. Нейтроны не имеют заряда. Вокруг ядра присутствует электрическое облако, внутри которого движутся электроны. Они же считаются отрицательно заряженными элементами. Количество протонов и электронов способно меняться.

Считается, что каждая из микрочастиц универсальна. В мире не удастся найти два разных электрона, протона или нейтрона. Они полностью похожи друг на друга. Свойства атома меняются в зависимости от количества частиц в составе.

Допустим, 1 атом водорода состоит из 1 электрона и 1 протона. Это простейший элемент. Атом гелия имеет в составе 2 нейтрона, 2 протона и 2 электрона. Его строение никогда не меняется. Атом лития создан из 4 нейтронов, 3 протонов и 3 электронов. Существуют и другие вещества, и учёные их отличают в зависимости от состава.

Атомы всегда соединяются молекулы, а те – в организмы, минералы. Следовательно, всё в этом мире сделано из мельчайших частиц. Допустим, молекула ДНК является основой всех живых организмов. Она сложная, но сделана из тех же ключевых элементов, что и неодушевлённые предметы. Стоит отметить, что любая плотная материя на 99% состоит из энергетических связей между вышеуказанными частицами. Оставшийся 1% – это физические формы.

Что говорят учёные и древние мыслители об атоме

За всё время было выдвинуто немало любопытных предположений об атоме. Можно выделить самые интересные из них.

Демокрит думал, что свойство объекта зависит от формы атома. Допустим, жидкость сделана из гладких атомов. То есть, по мнению древнегреческого философа, молоко и вода состоят из схожих частиц.

В 20 веке учёные предполагали, что атом напоминает планету. Связано это с тем, что у элемента, как и у Сатурна, есть кольца вокруг ядра. По ним перемещаются электроны. Хоть планета с атомами схожа, но теория получила опровержение.

Наиболее точной считалась модель Резерфорда-Бора. Учёный отмечал, что атом похож на ядро, которое имеет положительный заряд, а вокруг него движутся атомы. При этом современные деятели науки выяснили, что движение электронов хаотично, и они не имеют определённого направления.

Атом – это главная единица материи. Он состоит из протона, электрона и нейтрона. Они же построены из кварков. Атом является частью молекулы, которая присутствует во всех окружающих предметах и живых организмах. Учёные утверждают, что всё в мире – это всего лишь энергетическое состояние бесконечных полей, присутствующих в пространстве Вселенной.

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Атом – его состав и структура

Атом – основная единица элементов. Состав атома и его строение определяет различные свойства элементов. Например, состав атома кристалла кремния будет отличаться от структуры, что представляет, например, вещество уран.
Слово “атом” происходит от греческих корней “а”(без) и “том” (вырезать) что означает «неделимый». Вплоть до 20-го века атомы считались минимально возможными частицами.

Структура атома

Ядро является центральным, очень плотным компонентом атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (совместно называемых нуклонами) и отвечает за большую часть атомной массы. Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре так называемым сильным ядерным взаимодействием (которое является самой сильной известной силой во Вселенной). Вокруг ядра находится облако гораздо меньших и более легких электронов, которые притягиваются к ядру электромагнитной силой от взаимодействия с протонами. Различные количества протонов, нейтронов и электронов приводят к тому, что атом обладает различными химическими свойствами, которые определяют, что это за элемент.

Атомы невообразимо малы, а их ядра в 1000 раз меньше. На самом деле один кубический сантиметр кремния, содержит приблизительно 5 х 10 22 атома (это 5 с 22 нулями после него!). Это масштабы Вселенной, чтобы увидеть визуальное представление о том, насколько они малы.

Протоны

Протоны – это положительно заряженные частицы, которые находятся внутри ядра атома.
Элемент можно распознать по числу протонов в ядре одного из своих атомов. Кроме того, число протонов определяет место элемента в периодической таблице элементов. Например, состав атома углерода имеет ровно 6 протонов в своем ядре и, таким образом, номер 6 в периодической таблице элементов, торий имеет ровно 90 протонов и, таким образом, номер 90 в периодической таблице элементов.
Протоны отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, но стягиваются вместе сильной силой, которая сильнее на коротких расстояниях (эти расстояния составляют около ферми или 10-15 м). Протоны очень маленькие, около 10-15 м в 10 000 раз меньше атома! Несмотря на свои невероятно малые размеры, протоны толкают друг друга с огромной силой, около 100 Н, сравнимой с весом маленькой собаки!
Заряд протона в точности равен и противоположен заряду электрона. Поэтому число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов. Протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые также составляют нейтроны.
Число протонов в ядре называется атомным номером, и это число определяет, каким элементом является вещество. Другими словами, изменение числа протонов, изменяет элемент. Это число протонов (атомный номер) изменяется, когда ядро подвергается бета-распаду или альфа-распаду в любой из его различных форм.
Сложность намеренного изменения количества протонов в ядре велика. Вот почему алхимия (средневековая практика превращения свинца в золото) так долго терпит неудачу!

Нейтроны

Нейтроны имеют ту же массу, что и протоны, что делает их легко определяемыми, сколько находятся в составе ядра атома.
Простое вычитание числа протонов из атомной массы атома даст число нейтронов. Например, цезий является номером 55 в периодической таблице элементов и, следовательно, имеет 55 протонов; кроме того, его атомная масса (обычно также найденная в периодической таблице), как известно, составляет 133 (единицы атомной массы). Вычитание 55 из 133 дает 78, то есть число нейтронов в атоме. Один и тот же тип атома (определяемый количеством протонов) может иметь разное количество нейтронов. Они называются различными изотопами атома. Например, углерод-12 является одним изотопом углерода, а углерод-14 – другим изотопом углерода.

Имеется общее название составляющих атомного ядра. Нуклон – частица из протона и нейтрона, которые образуют ядро. Нуклиды – совокупность атомов с определенным значением нейтронов и протонов: одинаковое число протонов, но разным числом нейтронов. Нуклоны и нуклиды разные понятия.

Электроны

Электроны – это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что квантовая механика необходима для объяснения их специфического поведения, и насколько физика смогла определить, они являются фундаментальной частицей. Лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые” вращаются ” вокруг ядра. Их радиус настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый. Если бы электрон был увеличен до размера Солнечной системы, он все равно выглядел бы сферическим в пределах толщины человеческого волоса.

  • Масса 9.11×10 -31 кг
  • Радиус менее 10 -18 м
  • Отклонение от сферы менее 10 -26 м

Состав атома определяет одинаковое количество протонов и электронов, однако он может потерять или приобрести электрон(ы) становится «несбалансированным». Неуравновешенный атом называется ионом; если он получает электрон (таким образом, имея их больше, чем протонов), он становится отрицательно заряженным ионом или анионом. Если происходит обратное, и атом теряет электрон, он становится положительно заряженный ион или катион. Ионы могут соединяться с другими ионами, создавая большое разнообразие различных смесей.
Один из способов, при котором состав атомов получает или теряет электроны, – это излучение высокой энергии. Это излучение вызывает образование ионов и в результате называется ионизирующим излучением.

Электроны и электричество

Электричество – это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током.

Чтобы этот поток произошел, электроны должны разорвать свою атомную связь (электричество – это поток электронов, а не их поток с ядрами, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать электромагнитную силу, сдерживающую его, и таким образом свободно течь.

Проводящий материал

Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах они более свободно связаны с их ядрами. Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанные электроны требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

Читайте также  Имеет ли электрический заряд протон

Что генерирует поток электронов?

Поток электронов можно генерировать различными способами, но основные из них следующие:

  • Электрические генераторы – это устройства, использующие принцип электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция это процесс перемещения проводника через магнитное поле с целью создания электронного потока. Требуется только относительное движение проводника и магнитного поля, что означает, что магнитное поле может двигаться, пока проводник неподвижен. Когда электроны в проводнике проходят через магнитное поле (если поле достаточно сильное, а относительная скорость проводников через поле достаточно быстрая), то связи с их ядрами будут разорваны и будет индуцирован поток. Для того чтобы вызвать высокий уровень электронного потока, необходимо большое количество энергии для создания относительной скорости между проводником и магнитами.
  • Химические реакции внутри батарей также создают электродвижущую силу, заставляющую электроны течь по цепи.
  • Фотоны (энергия света) также могут вызывать поток электронов, когда они сталкиваются с фотоэлектрической ячейкой расположенной в солнечной панели.

Таким образом, структура или состав атома определяет принадлежность к тому или иному химическому элементу.

Строение атома — электронная конфигурация, структура и модели

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».

Частицы, несущие положительный заряд, назвали протонами, нейтральный — нейтронами, отрицательный — электронами.

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.

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.

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.

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.

Отрицательно заряженные ионы, в свою очередь, называются анионами. Как правило, они являются неметаллами, так как обладают высокой электроотрицательностью — способностью притягивать к себе электроны. Например, им может стать атом кремния, присоединив к себе хотя бы один электрон.

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

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:

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

Но это всего лишь условности, и они никак не указывают, что электрон и правда можно поделить на отдельные частицы. На текущем уровне развития науки эта частица пока считается неделимой. И нет оснований полагать, что в будущем это может измениться.

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.

Электронная конфигурация

Электронная конфигурация атома — схематическое отображение отрицательных частиц, расположенных на атомных орбиталях. Умея делать такую запись, можно очень быстро определять количество орбиталей у того или иного атома. Перед тем как приступать к определению самой конфигурации, необходимо найти порядковый номер и заряд нужного элемента.

Любой атом состоит из нескольких электронных оболочек. Их максимальное количество достигает семи. Каждая из них имеет подуровни, заполняемые электронами последовательно, в строго установленном порядке. Число подуровней, содержащееся в той или иной оболочке, равняется её номеру. Внешние слои с большим количеством подуровней, находящиеся дальше от ядра, имеют большую энергию по сравнению с внутренними, чьё расположение близко к ядру.

Всего есть 6 типов подуровней, каждый из которых может содержать определённое число орбиталей. Электроны на каждом из них, когда они заполнены полностью, располагаются в чётном количестве. Эти подуровни обозначаются следующими буквами:

  1. s. Имеет всего одну орбиталь. Может содержать только 2 электрона.
  2. p. 3 орбитали, максимальные 6 электронов.
  3. d. 5 орбиталей, 10 частиц.
  4. f. 7 орбиталей, 14 частиц.
  5. g. 9 орбиталей, 18 частиц.
  6. h. 11 и 22 частицы.
  7. i. 13 и 26 частиц.

Орбитали заполняются в следующем порядке:

1s, 2s, 2p, 3s, 3p, 4s, 3d, 4p, 5s, 4d, 5p, 6s, 4f, 5d, 6p, 7s, 5f, 6d, 7p.

Цифра справа обозначает номер оболочки, буква слева — подуровень этой оболочки.

Наглядная запись

Теперь возьмём для примера какой-нибудь химический элемент. Например, калий. В таблице Менделеева он имеет запись K и его можно найти под номером 19. Значит, у него имеется 19 электронов, которые нужно расфасовать по орбиталям в указанном порядке. Делаем это.

Сначала идёт уровень 1s. Подуровень s может содержать только 2 электрона. Число электронов записывается в виде маленького индекса над буквой. В данном случае это будет 1s 2 .

Следом по порядку идёт 2s. Тоже s и тоже только 2 электрона. 2s 2 .

Дальше 2p. Смотрим, сколько электронов может содержать уровень p. 2p 6 .

Читайте также  Кто такие евангелисты

Теперь снова возвращаемся на подуровень s, который опять-таки включает в себя всего лишь 2 электрона. 3s 2 .

12 уже упорядочено. Осталось 7. И следующий уровень — 3p 6 .

Остался всего один электрон, который нужно разместить на следующем s-подуровне. В результате на нём остаётся одно свободное место — всего частиц может быть 2, но мы располагаем только одну оставшуюся. А записывается это как 4s 1 .

В одну строчку это всё записывается следующим образом: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .

Важно учитывать, что это электронная конфигурация для основного состояния атома. В Периодической системе элементов у атомов тоже указаны исключительно те их свойства, которыми они обладают в своём основном состоянии. Но также они могут пребывать и в возбуждённом состоянии. Это происходит при сообщении им дополнительной энергии. Тогда электроны с положенных им орбиталей будут перескакивать на другие и запись будет несколько иной.

Различные атомные модели

Ещё философы Древней Греции — колыбели науки, пытались постичь природу этой необыкновенной частицы. Особенно среди прочих выделился Демокрит. И пусть с вершины нынешней науки его идеи кажутся немного наивными и примитивными, на тот момент это всё же был большой прорыв.

По мнению философа, из атомов состоит даже такая неосязаемая субстанция, как человеческая душа. Ещё он считал, что каждый отдельный атом имеет примерно те же физические свойства, что и вещество, которое он образует. Например, огонь, как он думал, должен иметь острые атомы, а вода — наоборот, гладкие.

Английский физик Дж. Томсон тоже внёс значительный вклад в развитие представлений об атомном устройстве. Но несмотря на это, и его идеи были несколько ошибочными. В 1904 году он выдвинул модель, рассматривающую атом в качестве физического тела, имеющего положительный заряд, внутри которого располагались отрицательно заряженные частицы.

В том же году, что и Томсон, Х. Нагаока предложил планетарную модель атома, которая была уже ближе к истине, но все равно не дотягивала до неё. В его модели строения атома электроны подобны кольцам Сатурна, и по тому же принципу крутятся вокруг ядра с положительным зарядом.

Последняя предложенная модель была разработана совместно Бором и Резерфордом. Она же и является устоявшейся в современном учёном мире. Практически все последующие научные наработки берут за основу именно их теорию строения атома, лишь с некоторыми незначительными изменениями. Её так и назвали — модель Резерфорда-Бора.

Состав атомных ядер

В 20 -х годах XX века сомнений насчет сложности строения открытых Резерфордом в 1911 году ядер атомов у физиков уже не оставалось. На данный факт указывало большое количество различных совершенных к тому времени время экспериментов, таких как:

  • открытие явления радиоактивности,
  • опытное доказательство ядерной модели атома,
  • измерение отношения e m для электрона, α -частицы и для H -частицы, представляющей собой ядро атома водорода,
  • открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций,
  • измерение зарядов атомных ядер и многие другие.

Протон

Из каких же частиц состоят ядра атомов? В наше время является фактом то, что ядра атомов различных элементов состоят из двух видов частиц, то есть из нейтронов и протонов. Вторая из этих частиц является лишившийся единственного своего электрона атомом водорода. Такая частица была замечена уже в опытах Дж. Томсона 1907 года. Ученый смог измерить у нее отношение e m .

Э. Резерфордом в 1919 году были обнаружены в продуктах расщепления ядер атомов значительного числа элементов атомные ядра водорода. Физиком найденной частице было дано название протона. Он предположил, что в состав любого из ядер атомов входят протоны.

Схема опытов Резерфорда проиллюстрирована на рисунке 6 . 5 . 1 .

Рисунок 6 . 5 . 1 . Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α -частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М представляет собой микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры с расположенным в ней контейнером К , в котором находился источник α -частиц. Металлическая фольга, на рисунке обозначенная как Ф , перекрывала окно камеры. Толщина фольги подбиралась таким образом, чтобы предотвратить проникание через нее α -частиц. За окном был расположен покрытый сернистым цинком экран, на изображении 6 . 5 . 1 отмеченный буквой Э. Применяя микроскоп М , можно было наблюдать световые вспышки или, как их еще называют, сцинтилляции в точках, в точках экрана, в которых происходило попадание тяжелых заряженных частиц.

В процессе заполнения камеры азотом с низким давлением на экране обнаруживались световые вспышки. Данное явление указывало на тот факт, что в условиях эксперимента существует поток неизвестных частиц, обладающих способностью проникать сквозь практически полностью задерживающую поток α -частиц фольгу Ф . Раз за разом удаляя от окна камеры экран Э. Резерфорд смог измерить среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Полученная величина оказалась приблизительно равной 28 с м , что совпадало с оценкой длины пробега наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном H -частиц.

С помощью исследований воздействия электрических и магнитных полей на выбиваемые из ядер азота частицы были получены данные о положительности их элементарного заряда. Также было доказано, что масса таких частиц эквивалентна массе ядер атомов водорода.

Впоследствии опыт выполнили с целым рядом других газообразных веществ. Во всех проведенных подобных опытах было обнаружено, что из их ядер α -частицы выбивают H -частицы или протоны.

Согласно современным измерениям, положительный заряд протона абсолютно эквивалентен элементарному заряду e = 1 , 60217733 · 10 – 19 К л . Другими словами, по модулю он равен отрицательному заряду электрона. В наше время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 – 22 . Подобное совпадение зарядов двух значительно отличающихся друг от друга частиц вызывает искреннее недоумение и по сей день остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Опираясь на современные измерения, можно заявить, что масса протона равна m p = 1 , 67262 · 10 – 27 к г . В условиях ядерной физики принадлежащую частицам массу нередко выражают в атомных единицах массы ( а . е . м . ) , равных массы атома углерода с массовым числом 12 :

1 а . е . м . = 1 , 66057 · 10 — 27 к г .

Соответственно, m p = 1 , 007276 а . е . м .

Довольно часто выражение массы частицы наиболее удобно при использовании эквивалентных значений энергии в соответствии со следующей формулой: E = m c 2 . По причине того, что 1 э В = 1 , 60218 · 10 – 19 Д ж , в энергетических единицах масса протона равняется 938 , 272331 М э В .

Следовательно, опыт Резерфорда, открывший явление расщепления ядер азота и иных элементов таблицы Менделеева в условиях ударов быстрых α -частиц, также показал, что в состав атомных ядер входят протоны.

Вследствие открытия протонов у некоторых физиков появилось предположение, что новые частицы не просто входят в состав ядер атомов, а являются его единственными возможными элементами. Однако по причине того, что отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны, данное предположение было признано несостоятельным. Для более тяжелых ядер такое отношение оказывается меньше, чем для легких, из чего следует, что при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра возрастает быстрее заряда.

Нейтроны

В 1920 году Э. Резерфордом была высказана гипотеза о присутствии в составе ядер некой компактной жестко связанной пары, состоящей из электрона и протона. В понимании ученого данная связка являлась электрически нейтральным образованием в качестве частицы, обладающей практически эквивалентной массе протона массой. Им также было придумано название для данной гипотетической частицы, Резерфорд хотел назвать ее нейтроном. К сожалению, приведенная идея, несмотря на свою красоту, была ошибочной. Было выяснено, что электрон не может являться частью ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10 – 13 с м , электрон должен обладать невероятной кинетической энергией, которая на много порядков превосходит энергию связи ядер в расчете на одну частицу.

Идея о существовании некой тяжелой нейтрально заряженной частицы в составе ядра была крайне привлекательна для Резерфорда. Ученый незамедлительно обратился к группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком с предложением заняться ее поисками. По прошествии 12 лет, в 1932 году Чедвик провел экспериментальное исследование излучения, возникающего в условиях облучения бериллия α -частицами. В процессе он обнаружил, что данное излучение является потоком нейтральных частиц, обладающих массой, практически эквивалентной массе протона. Таким образом был открыт нейтрон. На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирована упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 6 . 5 . 2 . Схема установки для обнаружения нейтронов.

В процессе бомбардировки бериллия испускаемыми радиоактивным полонием α -частицами появляется мощное проникающее излучение, способное пройти сквозь преграду в виде 10 — 20 сантиметрового слоя свинца. Данное излучение практически в то же время, что и Чедвик обнаружили супруги дочь Марии и Пьера Кюри Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, однако ими было выдвинуто предположение, что это γ -лучи большой энергии. Они заметили, что если на пути излучения бериллия установить парафиновую пластину, то ионизирующая способность данного излучения скачкообразно увеличивается. Супруги доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина в большом количестве имеющиеся в приведенном водородосодержащем веществе протоны. Используя значение длины свободного пробега протонов в воздухе, учеными была оценена энергия γ -квантов, обладающих способностью в условиях столкновения сообщать протонам нужную скорость. Полученное в результате оценки значение энергии оказалось огромным – около 50 М э В .

Читайте также  Кто больше всего спит

В 1932 Дж. Чедвиком была выполнена целая серия из экспериментов, направленных на всестороннее изучение свойств излучения, которое возникает при облучении бериллия α -частицами. В своих опытах Чедвик применял разные методы исследования ионизирующих излучений.

На рисунке 6 . 5 . 2 проиллюстрирован счетчик Гейгера, прибор, использующийся для регистрации заряженных частиц.

Данное устройство состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом, обычно в его качестве выступает аргон, при низком давлении. Заряженная частица в процессе перемещения в газе вызывает ионизацию молекул.

Возникающие в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается явление ударной ионизации. Появляется лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока.

Еще одним обладающим чрезвычайной важностью для исследования частиц прибором является камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след или, как его еще называют, трек.

Траекторию частицы можно фотографировать или наблюдать непосредственно. Фундаментом действия созданной в 1912 году камеры Вильсона является явление конденсации перенасыщенного пара на ионах, которые образуются в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. При помощи камеры Вильсона появляется возможность наблюдения искривления траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

В своих экспериментах Дж. Чедвик наблюдал в камере Вильсона следы испытавших столкновение с бериллиевым излучением ядер азота. Основываясь на данных опытах, ученый оценил энергию γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Полученное значение равнялось 100 – 150 М э В . Настолько огромной энергией не могли обладать испущенные бериллием γ -кванты. Исходя из этого факта, Чедвик заключил, что из бериллия при воздействии α -частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы. Данные частицы обладали немалой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, соответственно, они были электронейтральны. Таким образом было доказано существование нейтрона – частицы, которую предсказал Резерфорд более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон представляет собой элементарную частицу. Ошибочным будет ее представление в виде компактной протон-электронной пары, как изначально предполагал Резерфорд.

Исходя из результатов современных измерений, мы можем сказать, что масса нейтрона m n = 1 , 67493 · 10 – 27 к г = 1 , 008665 а . е . м .

В энергетических единицах масса нейтрона эквивалентна 939 , 56563 М э В . Масса нейтрона примерно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко на пару с немецким физиком В. Гейзенберг выдвинул гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений.

Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).

Заряд ядра равен Z e , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N .

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом ядра A :

Определение понятия изотопа

Ядра химических элементов обозначают символом X Z A , где X – химический символ элемента. Например,
H 1 1 – водород, He 2 4 – гелий, C 6 12 – углерод, O 8 16 – кислород, U 92 238 – уран.

Число нейтронов в ядрах одного и того же химического элемента может быть различным. Такие ядра называются изотопами.

Большая часть химических элементов обладает несколькими изотопами. Например, у водорода их три: H 1 1 – обычный водород, H 1 2 – дейтерий и H 1 3 – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3 .

Химические элементы в природных условиях чаще всего представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, к примеру, относительная атомная масса природного углерода равняется 12 , 011 .

Что находится внутри атомного ядра?

Протоны и нейтроны — знаменитые тяжелые частицы ядра атома. Ядро значительно меньше атома, но очень плотное и тяжелое. Электроны вращаются вокруг ядра на большом расстоянии, создавая значительное пустое пространство в атоме. Является ли тяжелое ядро компактно заполненным твердыми частицами? Нет. Ядро также имеет значительное пустое пространство внутри.

Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома окружено чрезвычайно маленькими и легкими электронами, которые вращаются в атоме, но не нарушают значительного пустого пространства между ядром и границами атома. Чтобы получить четкое изображение ядра атома, нужно сначала знать, что происходит с электронами и остальной частью атома.

Электроны вокруг ядра атома

Электроны имеют свои специфические орбиты, а именно: S, P, D, F, а затем G. Каждая орбита представляет собой сферическую оболочку, и имена выводятся из спектра испускаемого света из этих оболочек, описывающих характер спектральных линий. Другой факт об электронах заключается в том, что они находятся везде, что позволяют квантовые законы.

Электроны вращаются вокруг плотного ядра атома в облаках отрицательного заряда.

В атоме углерода, например, шесть электронов. Два из них занимают сферическую оболочку в центре атома, а остальные четыре распределены в смеси сферических оболочек и трехлопастных оболочек. Таким образом, ядро ​​окружено чем-то вроде облаков отрицательного заряда, а электроны находятся везде, где только могут быть, но не заполняют пустые пространства. Электроны помогают создавать молекулы.

Электронные связи между атомами

Если два атома углерода подходят достаточно близко, их ближайшие электроны взаимодействуют и образуют одинарную связь. Эта связь в химии называется сигма-связью. Затем облака изгибаются и соединяются, создавая «Пи-связь», которая выглядит как деревья, соединяющие верхние ветви над улицей.

Связи становятся все более и более сложными в различных ситуациях, и это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее одна вещь остается постоянной во всех этих связях: электроны все еще рассеяны в относительно огромном облаке вокруг очень плотного ядра, и там все еще много пустого пространства. Электрические поля и электронные облака удерживают эту огромную пустоту вместе. Что же тогда находится внутри ядра атома?

Протоны и нейтроны

Ядро атома состоит из протонов, открытых в 1920 году Эрнестом Резерфордом, и нейтронов, открытых в 1932 году Джеймсом Чедвиком. И протоны, и нейтроны подобны маленьким сферам радиусом 10 -15 м, или квадриллионной метра. Обе частицы каким-то образом склеены в ядре.

Когда атом нагревается, он излучает видимый свет, но когда ядро ​​нагревается, оно испускает гамма-лучи. Гамма в 100 000 или даже в миллион раз более энергична, чем видимый свет. Многие модели пытаются описать поведение частиц ядра, но модель оболочки до сих пор была наиболее успешной. Она помещает протоны и нейтроны в различные энергетические оболочки для описания гамма-излучения. Значит ли это, что протоны и нейтроны — это твердые маленькие шарики?

Внутри протонов и нейтронов

В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u α ), нижний (символ d α ), странный (символ s α ), очарованный (символ c α ), красивый (символ b α ) и истинный (символ t α ).

Кварки — это частицы внутри протонов и нейтронов, они бывают разных типов.

Верхние и нижние кварки находятся внутри протонов и нейтронов. Остальные четыре имеют очень короткий срок службы и их можно найти только в ускорителях частиц. Протон содержит два верхних кварка и один нижний кварк. С другой стороны, нейтрон имеет один верхний кварк и два нижних кварка. Что держит эти кварки вместе в одной фемтометрической сфере — самая сильная сила обнаружена до сих пор: сильная сила.

Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.

Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.

Общие вопросы об атомном ядре

Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.

Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.

Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.

Вопрос: В чем разница между ядром и атомом?
Ядро атома — это плотное и тяжелое ядро атома с положительным зарядом. Оно значительно меньше атома, но намного тяжелее его остального.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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