CARGA PRINCIPAL
Lei de Moseley. A carga elétrica do núcleo é formada pelos prótons que compõem sua composição. Número de prótons Z chamá-lo de uma carga, o que significa que valor absoluto a carga do núcleo é Z e. A carga do núcleo é a mesma que o número de série Z elemento em sistema periódico elementos de Mendeleev. Pela primeira vez, as cargas dos núcleos atômicos determinaram físico inglês Moseley em 1913. Medindo o comprimento de onda com um cristal λ característica radiação de raios-x para átomos de certos elementos, Moseley descobriu uma mudança regular no comprimento de onda λ nos elementos seguindo amigo após o outro no sistema periódico (Fig. 2.1). Moseley interpretou esta observação como a dependência λ de alguma constante atômica Z, que muda em um de elemento para elemento, e igual a um para hidrogênio:
onde e são constantes. A partir de experimentos sobre a dispersão de quanta de raios-X por elétrons atômicos e α -partículas por núcleos atômicos, já se sabia que a carga do núcleo é aproximadamente igual à metade da massa atômica e, portanto, próxima a número de série elemento. Como a emissão de radiação característica de raios X é consequência de processos elétricos no átomo, Moseley concluiu que a constante atômica encontrada em seus experimentos, que determina o comprimento de onda da radiação característica de raios X e coincide com o número de série do elemento , só pode ser a carga do núcleo atômico (lei de Moseley).
Arroz. 2.1. espectros de raios-Xátomos de elementos vizinhos, obtidos por Moseley
A medição dos comprimentos de onda dos raios X é realizada com grande precisão, de modo que, com base na lei de Moseley, a pertença de um átomo a um elemento químico é estabelecida de forma absolutamente confiável. No entanto, o fato de que a constante Z na última equação está a carga do núcleo, embora seja justificada por experimentos indiretos, em última análise, repousa no postulado - a lei de Moseley. Portanto, após a descoberta de Moseley, as cargas dos núcleos foram repetidamente medidas em experimentos de espalhamento. α -partículas com base na lei de Coulomb. Em 1920, Chadwig aprimorou o método para medir a proporção de α -partículas e receberam as cargas dos núcleos de átomos de cobre, prata e platina (ver tabela 2.1). Os dados de Chadwig não deixam dúvidas sobre a validade da lei de Moseley. Além dos elementos indicados, as cargas dos núcleos de magnésio, alumínio, argônio e ouro também foram determinadas nos experimentos.
Tabela 2.1. Os resultados dos experimentos de Chadwick
Definições. Após a descoberta de Moseley, ficou claro que a principal característica de um átomo é a carga do núcleo, e não sua massa atômica, como supunham os químicos do século XIX, porque a carga do núcleo determina o número elétrons atômicos, que significa Propriedades quimicasátomos. A razão da diferença entre os átomos dos elementos químicos é justamente que seus núcleos têm número diferente prótons em sua composição. Pelo contrário, um número diferente de nêutrons nos núcleos de átomos com o mesmo número de prótons não altera de forma alguma as propriedades químicas dos átomos. Átomos que diferem apenas no número de nêutrons em seus núcleos são chamados isótopos Elemento químico.
Um átomo é a menor partícula de um elemento químico que retém todas as suas propriedades químicas. Um átomo consiste em um núcleo carregado positivamente e elétrons carregados negativamente. A carga nuclear de qualquer elemento químico é igual ao produto Z a e, onde Z é o número de série de um determinado elemento no sistema periódico de elementos químicos, e é o valor do elementar carga elétrica.
Elétron- Esse menor partícula substâncias com carga elétrica negativa e=1,6·10 -19 coulombs, considerada como carga elétrica elementar. Os elétrons, girando em torno do núcleo, estão localizados nas camadas de elétrons K, L, M, etc. K é a camada mais próxima do núcleo. O tamanho de um átomo é determinado pelo tamanho de sua camada de elétrons. Um átomo pode perder elétrons e tornar-se íon positivo ou ganhar elétrons e se tornar um íon negativo. A carga de um íon determina o número de elétrons perdidos ou ganhos. O processo de transformar um átomo neutro em um íon carregado é chamado de ionização.
núcleo atômico (parte centralátomo) consiste em elementar partículas nucleares- prótons e nêutrons. O raio do núcleo é cerca de cem mil vezes menor que o raioátomo. A densidade do núcleo atômico é extremamente alta. prótons- é estável partículas elementares, tendo uma carga elétrica positiva unitária e uma massa 1836 vezes maior que a massa de um elétron. O próton é o núcleo do elemento mais leve, o hidrogênio. O número de prótons no núcleo é Z. Nêutroné uma partícula elementar neutra (sem carga elétrica) com uma massa muito próxima da massa de um próton. Como a massa do núcleo é a soma da massa de prótons e nêutrons, o número de nêutrons no núcleo de um átomo é A - Z, onde A é o número de massa de um determinado isótopo (ver). O próton e o nêutron que compõem o núcleo são chamados de nucleons. No núcleo, os núcleons são ligados por forças nucleares especiais.
O núcleo atômico contém uma enorme quantidade de energia, que é liberada quando reações nucleares. As reações nucleares ocorrem quando os núcleos atômicos interagem com partículas elementares ou com os núcleos de outros elementos. Como resultado de reações nucleares, novos núcleos são formados. Por exemplo, um nêutron pode se transformar em um próton. Nesse caso, uma partícula beta, ou seja, um elétron, é ejetada do núcleo.
A transição no núcleo de um próton para um nêutron pode ser realizada de duas maneiras: ou uma partícula com massa é emitida do núcleo, igual a massa elétron, mas com carga positiva, chamado de pósitron (decaimento do pósitron), ou o núcleo captura um dos elétrons da camada K mais próxima a ele (captura K).
Às vezes, o núcleo formado tem excesso de energia (está em estado excitado) e, transformando-se em condição normal, libera o excesso de energia na forma radiação eletromagnética com comprimento de onda muito curto. A energia liberada nas reações nucleares é praticamente utilizada em várias indústrias indústria.
Um átomo (do grego atomos - indivisível) é a menor partícula de um elemento químico que possui suas propriedades químicas. Todo elemento é formado por átomos um certo tipo. A estrutura de um átomo inclui o núcleo carregando uma carga elétrica positiva e elétrons carregados negativamente (veja), formando suas conchas eletrônicas. O valor da carga elétrica do núcleo é igual a Z-e, onde e é a carga elétrica elementar, igual em magnitude à carga do elétron (4,8 10 -10 e.-st. unidades), e Z é o número atômico deste elemento no sistema periódico de elementos químicos (ver .). Como um átomo não ionizado é neutro, o número de elétrons incluídos nele também é igual a Z. A composição do núcleo (ver. Núcleo atômico) inclui nucleons, partículas elementares com uma massa de cerca de 1840 vezes massa maior elétron (igual a 9,1 10 -28 g), prótons (ver), carregados positivamente e nêutrons sem carga (ver). O número de nucleons em um núcleo é chamado Número de massa e é indicado pela letra A. O número de prótons no núcleo, igual a Z, determina o número de elétrons que entram no átomo, a estrutura conchas de elétrons e propriedades químicas do átomo. O número de nêutrons no núcleo é A-Z. Os isótopos são chamados de variedades do mesmo elemento, cujos átomos diferem entre si no número de massa A, mas têm o mesmo Z. Assim, nos núcleos de átomos de diferentes isótopos de um elemento, há um número diferente de nêutrons com o mesmo número de prótons. Ao designar isótopos, o número de massa A é escrito na parte superior do símbolo do elemento e o número atômico na parte inferior; por exemplo, isótopos de oxigênio são denotados: 
As dimensões de um átomo são determinadas pelas dimensões das camadas de elétrons e para todos os Z são cerca de 10 -8 cm. Como a massa de todos os elétrons do átomo é vários milhares de vezes menor que a massa do núcleo, a massa de o átomo é proporcional ao número de massa. massa relativa um átomo de um determinado isótopo é determinado em relação à massa de um átomo do isótopo de carbono C 12, tomado como 12 unidades, e é chamado de massa isotópica. Acontece que está próximo do número de massa do isótopo correspondente. O peso relativo de um átomo de um elemento químico é o valor médio (levando em conta a abundância relativa dos isótopos de um determinado elemento) do peso isotópico e é chamado de peso atômico (massa).
Um átomo é um sistema microscópico, e sua estrutura e propriedades só podem ser explicadas com a ajuda da teoria quântica, criada principalmente na década de 20 do século 20 e destinada a descrever fenômenos em escala atômica. Experimentos mostraram que as micropartículas - elétrons, prótons, átomos, etc. - além das corpusculares, possuem propriedades das ondas se manifesta em difração e interferência. Na teoria quântica, um determinado campo de onda caracterizado por uma função de onda (função Ψ) é usado para descrever o estado de micro-objetos. Esta função determina as probabilidades de estados possíveis de um microobjeto, ou seja, caracteriza as possibilidades potenciais de manifestação de uma ou outra de suas propriedades. A lei da variação da função Ψ no espaço e no tempo (a equação de Schrödinger), que permite encontrar essa função, desempenha o mesmo papel na teoria quântica e na mecânica clássica Leis do movimento de Newton. A solução da equação de Schrödinger em muitos casos leva a discretos estados possíveis sistemas. Assim, por exemplo, no caso de um átomo, a série funções de onda para elétrons correspondentes a diferentes valores de energia (quantizados). O sistema de níveis de energia do átomo, calculado pelos métodos da teoria quântica, recebeu brilhante confirmação na espectroscopia. Transição de um átomo do estado fundamental correspondente ao menor nível de energia E 0, para qualquer um dos estados excitados E i ocorre quando uma certa porção de energia E i - E 0 é absorvida. Um átomo excitado entra em um estado menos excitado ou fundamental, geralmente com a emissão de um fóton. Nesse caso, a energia do fóton hv é igual à diferença entre as energias de um átomo em dois estados: hv= E i - E k onde h é a constante de Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v é a frequência de luz.
Além dos espectros atômicos, teoria quântica permitiu explicar outras propriedades dos átomos. Em particular, a valência, a natureza ligação química e a estrutura das moléculas, a teoria do sistema periódico de elementos foi criada.
A carga nuclear () determina a localização do elemento químico na tabela D.I. Mendeleev. O número Z é o número de prótons no núcleo. Cl é a carga do próton, que é igual em magnitude à carga do elétron.
Enfatizamos mais uma vez que a carga do núcleo determina o número de cargas elementares positivas transportadas pelos prótons. E como o átomo é geralmente um sistema neutro, a carga do núcleo também determina o número de elétrons no átomo. E lembramos que o elétron tem um negativo carga elementar. Os elétrons em um átomo são distribuídos em camadas e subcamadas de energia, dependendo do seu número, portanto, a carga do núcleo tem influência significante sobre a distribuição de elétrons sobre seus estados. As propriedades químicas de um átomo dependem do número de elétrons no último nível de energia. Acontece que a carga do núcleo determina as propriedades químicas da substância.
Atualmente, costuma-se designar vários elementos químicos da seguinte forma: , onde X é o símbolo de um elemento químico em tabela periódica, que corresponde à carga .
Elementos que têm o mesmo Z, mas diferentes massas atômicas (A) (isso significa que no núcleo o mesmo número prótons, mas quantidade diferente nêutrons) são chamados de isótopos. Assim, o hidrogênio possui dois isótopos: 1 1 H-hidrogênio; 2 1 H-deutério; 3 1 H-trítio
Existem isótopos estáveis e instáveis.
Núcleos com as mesmas massas mas com cargas diferentes são chamados de isóbaros. Isóbaros são encontrados principalmente entre núcleos pesados, e em pares ou tríades. Por exemplo, e .
Primeiro medição indireta carga nuclear foi feita por Moseley em 1913. Ele estabeleceu uma relação entre a frequência da radiação característica de raios-X () e a carga nuclear (Z):
onde C e B são constantes independentes do elemento para a série de radiação considerada.
A carga do núcleo foi diretamente determinada por Chadwick em 1920 enquanto estudava o espalhamento de núcleos do átomo de hélio em filmes metálicos.
Composição do Núcleo
O núcleo de um átomo de hidrogênio é chamado de próton. A massa de um próton é:
O núcleo é formado por prótons e nêutrons (coletivamente chamados de núcleons). O nêutron foi descoberto em 1932. A massa do nêutron é muito próxima da massa do próton. O nêutron não tem carga elétrica.
A soma do número de prótons (Z) e do número de nêutrons (N) no núcleo é chamada de número de massa A:
Como as massas do nêutron e do próton são muito próximas, cada uma delas é igual a quase unidade atômica massas. A massa dos elétrons em um átomo é muito menor que a massa do núcleo, portanto, acredita-se que o número de massa do núcleo seja aproximadamente igual ao relativo massa atômica elemento, se arredondado para um número inteiro.
Exemplos de resolução de problemas
EXEMPLO 1
| Exercício | Os núcleos são muito sistemas sustentáveis, portanto, prótons e nêutrons devem ser mantidos dentro do núcleo por algumas forças. O que você pode dizer sobre essas forças? |
| Solução | Pode-se notar imediatamente que as forças que ligam os núcleons não pertencem às gravitacionais, que são muito fracas. A estabilidade do núcleo não pode ser explicada pela presença de forças eletromagnéticas, pois entre prótons, como partículas carregar cargas um sinal só pode ser repulsão elétrica. Os nêutrons são partículas eletricamente neutras. Entre os nucleons atuam tipo especial forças que são chamadas de forças nucleares. Essas forças são quase 100 vezes mais fortes forças elétricas. As forças nucleares são as mais poderosas de todas forças famosas na natureza. A interação das partículas no núcleo é chamada de forte. A próxima característica das forças nucleares é que elas são de curto alcance. As forças nucleares tornam-se perceptíveis apenas a uma distância da ordem de cm, ou seja, a uma distância do tamanho do núcleo. |
EXEMPLO 2
| Exercício | O que distância mínima pode o núcleo de um átomo de hélio, tendo uma energia cinética igual à de uma colisão frontal, aproximar-se do núcleo imóvel de um átomo de chumbo? |
| Solução | Vamos fazer um desenho. Considere o movimento do núcleo de um átomo de hélio (partículas -) em um campo eletrostático, que cria um núcleo imóvel de um átomo de chumbo. - a partícula se move em direção ao núcleo do átomo de chumbo com uma velocidade decrescente para zero, pois forças repulsivas atuam entre partículas de mesma carga. Energia cinética, que a partícula possuía, se transformará na energia potencial de interação - a partícula e o campo (), que cria o núcleo do átomo de chumbo: Expressamos a energia potencial de uma partícula em um campo eletrostático como: onde é a carga do núcleo de um átomo de hélio; - tensão campo eletrostático, que cria o núcleo do átomo de chumbo.
De (2.1) - (2.3) obtemos: |
Investigando a passagem de uma partícula α através de uma fina folha de ouro (ver Seção 6.2), E. Rutherford chegou à conclusão de que um átomo consiste em um núcleo pesado carregado positivamente e elétrons ao seu redor.
essencial chamado centro do átomo,em que quase toda a massa de um átomo e sua carga positiva .
EM composição do núcleo atômico inclui partículas elementares : prótons E nêutrons (nucleons de palavra latina núcleo- essencial). Tal modelo próton-nêutron núcleo foi proposto físico soviético em 1932 D. D. Ivanenko. O próton tem uma carga positiva e + = 1,06 10 -19 C e uma massa de repouso m p\u003d 1,673 10 -27 kg \u003d 1836 meu. nêutron ( n) – partícula neutra com massa de repouso m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 meu(onde a massa do elétron meu, é igual a 0,91 10 -31 kg). Na fig. 9.1 mostra a estrutura do átomo de hélio de acordo com as ideias do final do século XX - início do século XXI v.
Carga principal é igual a Z e, Onde eé a carga do próton, Z- número de cobrança igual a número de série elemento químico no sistema periódico de elementos de Mendeleev, ou seja, o número de prótons no núcleo. O número de nêutrons em um núcleo é denotado N. Geralmente Z > N.
Núcleos com Z= 1 a Z = 107 – 118.
Número de nucleons no núcleo A = Z + N chamado Número de massa . núcleos com o mesmo Z, Mas diferente A chamado isótopos. Kernels, que, ao mesmo A tem diferente Z, são chamados isóbaras.
O núcleo é denotado pelo mesmo símbolo que átomo neutro, Onde xé o símbolo de um elemento químico. Por exemplo: hidrogênio Z= 1 tem três isótopos: – protium ( Z = 1, N= 0), é deutério ( Z = 1, N= 1), – trítio ( Z = 1, N= 2), estanho tem 10 isótopos, e assim por diante. Na grande maioria dos isótopos do mesmo elemento químico, eles têm a mesma composição química e proximidade propriedades físicas. No total, são conhecidos cerca de 300 isótopos estáveis e mais de 2000 naturais e obtidos artificialmente. isótopos radioativos.
O tamanho do núcleo é caracterizado pelo raio do núcleo, que tem um significado condicional devido à indefinição do limite do núcleo. Até mesmo E. Rutherford, analisando seus experimentos, mostrou que o tamanho do núcleo é de aproximadamente 10–15 m (o tamanho de um átomo é de 10–10 m). Existe uma fórmula empírica para calcular o raio do núcleo:
| , | (9.1.1) |
Onde R 0 = (1,3 - 1,7) 10 -15 m. A partir disso, pode-se ver que o volume do núcleo é proporcional ao número de núcleons.
A densidade da substância nuclear é da ordem de 10 17 kg/m 3 e é constante para todos os núcleos. Excede em muito a densidade das substâncias comuns mais densas.
Os prótons e os nêutrons são férmions, porque girar ħ /2.
O núcleo de um átomo tem próprio momento angular – rotação nuclear :
 ,
|
(9.1.2) |
Onde EU – interno(completo)número quântico de rotação.
Número EU aceita valores inteiros ou semi-inteiros 0, 1/2, 1, 3/2, 2, etc. Núcleos com até A ter giro inteiro(em unidades ħ ) e obedecer as estatísticas Bose–einsten(bósons). Núcleos com chance A ter rotação semi-inteira(em unidades ħ ) e obedecer as estatísticas fermi–Dirac(aqueles. núcleos são férmions).
As partículas nucleares têm seus próprios momentos magnéticos, que determinam o momento magnético do núcleo como um todo. A unidade para medir os momentos magnéticos dos núcleos é magneton nuclear μ veneno:
| . | (9.1.3) |
Aqui e – valor absoluto carga do elétron, m pé a massa do próton.
magneton nuclear em m p/meu= 1836,5 vezes menor que o magneton de Bohr, daí segue-se que as propriedades magnéticas dos átomos são determinadas Propriedades magneticas seus elétrons .
Existe uma relação entre o spin do núcleo e seu momento magnético:
| , | (9.1.4) |
onde γ veneno - razão giromagnética nuclear.
O nêutron tem um momento magnético negativo μ n≈ – 1,913μ veneno porque a direção do spin do nêutron e seu momento magnético são opostos. Momento magnético próton é positivo e igual a μ R≈ 2.793μ veneno. Sua direção coincide com a direção do spin do próton.
A distribuição da carga elétrica dos prótons sobre o núcleo em caso Geral assimetricamente. A medida de desvio desta distribuição de simetria esférica é momento elétrico quadrupolo do núcleo Q. Se a densidade de carga for considerada a mesma em todos os lugares, então Q determinada apenas pela forma do núcleo. Então, para um elipsóide de revolução
 ,
|
(9.1.5) |
Onde bé o semi-eixo do elipsóide ao longo da direção de rotação, A- eixo na direção perpendicular. Para um núcleo esticado ao longo da direção do spin, b > A E Q> 0. Para um núcleo oblato nesta direção, b < a E Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a E Q= 0. Isso é verdade para núcleos com spin igual a 0 ou ħ /2.
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