Что такое величина заряда ядра

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.

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:

где R₀ = (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:

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 магнетонμ_яд:

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:

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

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

Источник

Ядро атома. Ещё раз о причине периодичности.

Ядро атома. Ещё раз о причине периодичности и природе заряда.

Кое-что о природе заряда ядра говорит известный закон английского учёного Генри Мозли (1913 г.). Закон Мозли прост: частота характеристического рентгеновского излучения химического элемента есть линейная функция его порядкового номера (Z). Порядковый номер элемента соответствует заряду ядра элемента, иначе, количеству протонов в ядре атома элемента. Однако в ядре атома есть не только протоны, но и нейтроны, частицы без заряда. Количество протонов и нейтронов в ядре примерно равно. Так что заряд ядра равен половине массы ядра. В рентгеновском аппарате на видео происходит вот что. Ускоренные электроны в поле электрического потенциала в 35 тысяч вольт бьют с большой силой в антикатод, сделанный из трёх разных элементов: железа, меди и молибдена (по очереди). Возникает тормозное рентгеновское излучение сплошного спектра. При большой энергии электронов возникает не только сплошной спектр рентгеновского излучения, но и характеристическое излучение в виде пиков, максимумов. Но, чтобы увидеть такую картинку, излучение должно пройти через дифракционную решетку кристалла, который поворачивается на угол в 30 градусов. Волны излучения огибают узлы решетки кристалла под разными углами, образуя общую картину спектра. Для каждых атомов химических элементов пики на шкале частот излучения свои, единственные. Чем тяжелее ядро атома – тем короче длина излучаемых волн, больше их энергия.

Принято считать, что энергичные электроны выбивают электроны у атомов элементов антикатода, выбивают из ближних к ядру электронных оболочек К и L. Опустевшее место занимают электроны с верхних оболочек, испуская рентгеновские фотоны. На самом деле картина не так проста и понятна. Сомнение вызывает само существование электронных оболочек вокруг ядра атома. Дело в том, что и само ядро атома имеет оболочечную структуру. Частицы ядра тоже располагаются в определённой последовательности, своим порядком. Никакого хаоса в движении ядерных частиц нет. Получается так, что природа продублировала структуру ядер и структуру электронных оболочек, пусть не совсем в точности, но всё же. Прежний опыт нам говорит, что на дублирование такого рода природа скупа, и вряд ли будет здесь повторяться. В действительности мы имеем дело только с ядрами и волновыми полями вокруг ядер. Вся масса атома сосредоточена в ядре (99,9%), и сомнительно, чтобы лёгкие электроны отвечали за все физические и химические особенности атомов. В формуле закона Мозли, совсем без ущерба для главной идеи, можно величину Z заменить величиной массы ядра. И тогда характеристическая частота рентгеновского излучения будет линейной функцией массы элемента (массы ядра). Это даже ближе к мысли Д. И. Менделеева, ведь изначально он строил свою Периодическую систему элементов по возрастанию атомных масс (весов). И формула Мозли будет выглядеть более соответственно: частота характеристического рентгеновского излучения (энергия фотона) пропорциональна массе (полной энергии) ядра.

Закон Мозли говорит о линейности, о строгой последовательности появления характеристических рентгеновских частот. Никакой периодической зависимости, периодической изменчивости тут не наблюдается. Получается так, что заряд ядра вовсе не связан с явлением периодичности, с периодической повторяемостью свойств элементов. С периодичностью связана другая особенность ядра – особенность структуры, строение ядра и характер движения частиц ядра. Периодически изменяется (с последовательным прибавлением частиц) характер их движения, и периодически изменяются физические и химические свойства элементов. Свойства элементов связаны с устойчивостью, с симметричностью или асимметричностью динамических комбинаций ядерных частиц (нуклонов). А уж устойчивость, симметричность и асимметричность системы определяются периодическим характером движения самих частиц и периодическим механизмом их связи. Закон Мозли лишь чётко указывает на прямой рост энергии ядер с ростом их массы. Чем массивнее, тяжелее ядра, тем с большими энергиями движутся их частицы, с большей частотой вращаются в своих ядерных оболочках.

Извините, коли речь зашла о природе атомного ядра и причине периодичности, то мне надо вспомнить мою давнюю научную идею, изображаемую спиральным вариантом Периодической системы химических элементов Менделеева. Не буду теорию излагать здесь целиком, лишь отмечу главный принцип. А именно, решающее значение в ядерной связи частиц, в динамической устойчивости частиц в ядерной оболочке имеет их значение угловых моментов в Пи радианах. Все устойчивые ядерные оболочки имеют в сумме угловой момент (момент вращения), кратный 2Пи, иначе, принцип целочисленности волн де Бройля. Нарушение целочисленности, симметричности структуры ядерной оболочки ведёт к появлению у атома тех или иных свойств, к появлению способности вступать в связь с другими элементами. Интересен механизм того, как атом одного элемента вступает в крепкую связь с атомом или атомами других элементов, где тут «зацепки», «крючки»… Сегодня связь между атомами объясняют взаимодействием статических электрических зарядов. Связь делят на ионную, ковалентную, металлическую. Атомы либо отдают свой отрицательный заряд, либо получают, либо обобществляют, лишь бы в итоге иметь устойчивую конфигурацию внешней оболочки благородных газов с минимумом энергии. Вникать в проблему природы этого самого электрического заряда никому не хочется, заряды есть – и ладно! С этим «мусором под ковром» мы пережили весь двадцатый век и с ним же вошли в двадцать первый. Хотя всем разумным людям понятно, что никакого статического поля электрического заряда нет. Поля есть, но они представляют собой поля беспрерывного кручения, вращения. Левый винт кручения, условно говоря, соответствует заряду плюс, правый винт – минус. Отвечает за появление этих самых зарядов круговое вращение протона. Протон, являясь симметричным радиальным колебанием среды вакуума (дыхание вакуума), способен, как целое, двигаться поступательно и вращательно, образуя тор, кольцо. Вот это кольцо и есть диполь, магнетон, основа всякого атома, ядра атома.

С какой бы скоростью в заполненной ядерной оболочке ни вращался протон в круговом движении, и с каким бы радиусом, но его угловой момент вращения в любой момент времени будет всегда кратен 1/4 Пи радиан. В сумме все вращающиеся протоны в устойчивой заполненной ядерной оболочке дают величину углового момента 2Пи. В Периодической системе (спиральный вариант) у элементов первой, второй и третьей группы в движении ядерных частиц наблюдается асинхронность, что тождественно здесь со смещённой синхронностью. Причина – опережение фазы углового момента на величину, кратную 1/4 Пи. Дополнительные прибавляющиеся частицы вносят в согласованное движение частиц ядерной оболочки смещение фазы углового момента. У элементов первой группы – на 1/4 Пи, у элементов второй группы – на 1/2 Пи, у элементов третьей группы – на 3/4 Пи. Четвертая группа системы элементов – водораздел, отделяющая так называемые электроположительные элементы от электроотрицательных элементов. Элементы четвёртой группы углерода (Пи) могут быть и электроположительными, и электроотрицательными. Элементы пятой (5/4 Пи), шестой (3/2 Пи) и седьмой (7/4 Пи) группы системы являются электроотрицательными, потому что охотно прибирают себе электроны элементов первых трёх групп. В движении частиц ядер элементов 5, 6 и 7 групп системы происходит запаздывание фазы углового момента, что тоже вызывает асинхронность общего движения ядерных частиц. Асинхронность с обратным знаком. Как видите, электроположительность и электроотрицательность объясняются здесь лишь смещением фазы углов орбитальных моментов вращающихся протонов. Соединение «электроотрицательных» элементов с «электроположительными» обусловлено явлением синхронизации. Асинхронность движения ядерных частиц элемента с опережающей фазой углового момента соединяется с асинхронностью элемента с запаздывающей фазой углового момента и получается синхронность, согласование, гармония в общем движении частиц, целочисленность Пи радиан. Пример: молекула поваренной соли, связь атома натрия с атомом хлора. Ядро атома натрия – опережающая асинхронность фазы 1/4 Пи. Ядро атома хлора – запаздывающая асинхронность фазы 7/4 Пи. В сумме две асинхронности дают синхронность 2Пи. Другой пример, более сложный, где связь образуют как бы два элемента запаздывающей фазы – молекула воды: атом кислорода (6/4 Пи) и два атома водорода (7/4 Пи). Дело в том, что водород ярко проявляет двойственные свойства: и щелочных металлов (1 группа), и галогенов (7 группа). Ядро атома кислорода – запаздывающая асинхронность фазы 6/4 Пи. Два ядра атома водорода – в сумме запаздывающая асинхронность фазы 14/4 Пи. В итоге – 5 Пи. Когда же водород идёт опережающей асинхронностью фазы первой группы, то итог суммы – 2 Пи. То есть, несмотря на простоту трактовки – тут не всё так просто и однозначно. Позвольте на этом остановиться. Гипотеза очерчена достаточно.

Вот так, с Божьей помощью, мы сможем со временем преодолеть зарядовый мистицизм. Ведь надо, наконец, выметать сор из-под ковра и наводить тут элементарный порядок. Ведь стыдно, на дворе – двадцать первый век, а мы до сих пор используем представления и образы восемнадцатого века! Ломоносов не побоялся изгнать теплород из научного обихода. А нам-то что мешает изгнать давно устаревшее представление об электрическом заряде?! Да, привыкли, удобно, просто, без затей… Плюс и минус – притягиваются; Плюс и плюс – отталкиваются. Красота! Мир частиц, атомов – это мир колебаний и периодических движений. Так и надо искать такие особенности периодических движений, которые наглядно и непротиворечиво давали бы нам понимание законов этого мира, в том числе – природу заряда.

Источник

Физика атомного ядра. Состав ядра.

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).

Протон (от греч. protons — первый, символ p) — стабильная элементарная частица, ядро ато­ма водорода.

Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон.

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ви другой, символ n) — это эле­ментарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия α-частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало пре­граду из свинцовой пластины толщиной 10-20 см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину (см. рисунок). Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это γ-кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных ней­тронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании α-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

Здесь — символ нейтрона; заряд его равен нулю, а относительная атомная масса прибли­зительно равна единице. Нейтрон — нестабильная частица: свободный нейтрон за время

15 мин. распадается на протон, электрон и нейтрино — частицу, лишенную массы покоя.

После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протонно-нейтронную (нуклонную) модель ядра. Согласно этой моде­ли, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов Z совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.

Заряд ядра Q определяется числом протонов Z, входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона e:

Число Z называется зарядовым числом ядра или атомным номером.

Массовым числом ядра А называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содер­жащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой N. Таким образом, массовое число равно:

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.

Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов.

Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topoa — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число прото­нов (Z) и различное число нейтронов (N).

Изотопами называются также ядра таких атомов. Изотопы являются нуклидами одного эле­мента. Нуклид (от лат. nucleus — ядро) — любое атомное ядро (соответственно атом) с заданными числами Z и N. Общее обозначение нуклидов имеет вид ……. где X — символ химического эле­мента, A = Z + N — массовое число.

Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и про­изошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (b почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемен­та определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

Исключением являются изотопы легких элементов. Изотопы водорода 1 Н — протий, 2 Н— дейтерий, 3 Н — тритий столь сильно отличаются по массе, что и их физические и хими­ческие свойства различны. Дейтерий стабилен (т.е. не радиоактивен) и входит в качестве неболь­шой примеси (1 : 4500) в обычный водород. При соединении дейтерия с кислородом образуется тяжелая вода. Она при нормальном атмосферном давлении кипит при 101,2 °С и замерзает при +3,8 ºС. Тритий β-радиоактивен с периодом полураспада около 12 лет.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактив­ные изотопы.

Изотопы урана. У элемента урана есть два изотопа — с массовыми числами 235 и 238. Изотоп составляет всего 1/140 часть от более распространенного .

Источник

Периодический закон

Периодический закон — это фундаментальный закон, который был сформулирован Д.И. Менделеевым в 1869 году.

Поэтому современная формулировка периодического закона звучит так:

« Свойства элементов, форма и свойства образованных ими соединений находятся в периодической зависимости от величины заряда ядер их атомов «.

Следствие периодического закона – изменение свойств элементов в определенных совокупностях, а также повторение свойств по периодам, т.е. через определенное число элементов. Такие совокупности Менделеев назвал периодами.

Группы – вертикальные столбцы элементов с одинаковым числом валентных электронов, равным номеру группы. Различают главные и побочные подгруппы. Главные подгруппы состоят из элементов малых и больших периодов, валентные электроны которых расположены на внешних ns— и np— подуровнях.

Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева состоит из семи периодов, которые представляют собой горизонтальные последовательности элементов, расположенные по возрастанию заряда их атомного ядра.

Каждый период (за исключением первого) начинается атомами щелочных металлов (Li, Na, К, Rb, Cs, Fr) и заканчивается благородными газами (Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), которым предшествуют типичные неметаллы.

В периодах слева направо возрастает число электронов на внешнем уровне.

В периодах слева направо постепенно ослабевают металлические и усиливаются неметаллические свойства.

2Na + H₂ → 2NaH

В четвертом периоде вслед за Са расположены 10 переходных элементов (от скандия Sc до цинка Zn), за которыми находятся остальные 6 основных элементов периода ( от галлия Ga до криптона Кr). Аналогично построен пятый период. Переходными элементами обычно называют любые элементы с валентными d– или f–электронами.

Шестой и седьмой периоды имеют двойные вставки элементов. За элементом Ва расположены десять d–элементов (от лантана La — до ртути Hg), а после первого переходного элемента лантана La следуют 14 f–элементов — лантаноидов (Се — Lu). После ртути Hg располагаются остальные 6 основных р-элементов шестого периода (Тl — Rn).

В седьмом (незавершенном) периоде за Ас следуют 14 f–элементов- актиноидов (Th — Lr). В последнее время La и Ас стали причислять соответственно к лантаноидам и актиноидам. Лантаноиды и актиноиды помещены отдельно внизу таблицы.

Элементы в Периодической системе разделены на восемь групп (I – VIII), которые в свою очередь делятся на подгруппы — главные , или подгруппы А и побочные , или подгруппы Б. Подгруппа VIIIБ-особая, она содержит триады элементов, составляющих семейства железа (Fе, Со, Ni) и платиновых металлов (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).

Внутри каждой подгруппы элементы проявляют похожие свойства и схожи по химическому строению. А именно:

В главных подгруппах сверху вниз усиливаются металлические свойства и ослабевают неметаллические.

В зависимости от того, какая энергетическая орбиталь заполняется в атоме последней, химические элементы можно разделить на s-элементы, р-элементы, d- и f-элементы.

У атомов s-элементов заполняются s-орбитали на внешних энергетических уровнях. К s-элементам относятся водород и гелий, а также все элементы I и II групп главных подгрупп (литий, бериллий, натрий и др.). У p-элементов электронами заполняются p-орбитали. К ним относятся элементы III-VIII групп, главных подгрупп. У d-элементов заполняются, соответственно, d-орбитали. К ним относятся элементы побочных подгрупп.

Номер периода соответствует числу заполняемых энергетических уровней.

Номер группы, как правило, соответствует числу валентных электронов в атоме (т.е. электроном, способных к образованию химической связи).

Номер группы, как правило, соответствует высшей положительной степени окисления атома. Но есть исключения!

О каких же еще свойствах говорится в Периодическом законе?

Периодически зависят от заряда ядра такие характеристики атомов, как орбитальный радиус, энергия сродства к электрону, электроотрицательность, энергия ионизации, степень окисления и др.

Радиус атома металла равен половине расстояния между центрами двух соседних атомов в металлической кристаллической решетке. Атомный радиус зависит от типа кристаллической решетки вещества, фазового состояния и многих других свойств.

Орбитальный радиус – это теоретически рассчитанное расстояние от ядра до максимального скопления наружных электронов.

Орбитальный радиус завит в первую очередь от числа энергетических уровней, заполненных электронами.

Чем больше число энергетических уровней, заполненных электронами, тем больше радиус частицы.

Если количество заполняемых энергетических уровней одинаковое, то радиус определяется зарядом ядра частицы.

Чем больше заряд ядра, тем сильнее притяжение валентных электронов к ядру.

Чем больше притяжение валентных электронов к ядру, тем меньше радиус частицы. Следовательно:

Чем больше заряд ядра атома (при одинаковом количестве заполняемых энергетических уровней), тем меньше атомный радиус.

В группах сверху вниз увеличивается число энергетических уровней у атомов. Чем больше количество энергетических уровней у атома, тем дальше расположены электроны внешнего энергетического уровня от ядра и тем больше орбитальный радиус атома.

В главных подгруппах сверху вниз увеличивается орбитальный радиус.

В периодах же число энергетических уровней не изменяется. Зато в периодах слева направо увеличивается заряд ядра атомов. Следовательно, в периодах слева направо уменьшается орбитальный радиус атомов.

В периодах слева направо орбитальный радиус атомов уменьшается.

1) O 2) Se 3) F 4) S 5) Na

В одной группе Периодической системы находятся элементы кислород O, селен Se и сера S.

В группе снизу вверх атомный радиус уменьшается, а сверху вниз – увеличивается. Следовательно, правильный ответ: O, S, Se или 142.

Ответ: 142

1) K 2) Li 3) F 4) B 5) Na

В одном периоде Периодической системы находятся элементы литий Li, фтор F и натрий Na.

В периоде слева направо атомный радиус уменьшается, а справа налево – увеличивается. Следовательно, правильный ответ: Li, B, F или 243.

Ответ: 243

1) Mg 2) P 3) O 4) N 5) Ti

Элементы-неметаллы – это фосфор Р, кислород О и азот N.

Электроотрицательность увеличивается в группах снизу вверх и слева направо в периодах. Следовательно, правильный ответ: P, N, O или 243.

Источник

• ← Что такое величина заряда ядра атома
• Что такое величина заряда →