No coração de qualquer ciência existe algo pequeno e importante. Na biologia é uma célula, na linguística é uma letra e um som, na engenharia é uma engrenagem, na construção é um grão de areia e para a química e a física o mais importante é o átomo, sua estrutura.

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Um átomo é aquela menor partícula de tudo que nos cerca, que carrega todas as informações necessárias, uma partícula que determina características e cargas. Por muito tempo, os cientistas pensaram que era indivisível, um, mas por longas horas, dias, meses e anos, foram realizados estudos, estudos e experimentos que provaram que o átomo também possui estrutura própria. Em outras palavras, essa bola microscópica consiste em componentes ainda menores que afetam o tamanho de seu núcleo, propriedades e carga. A estrutura dessas partículas é a seguinte:

• elétrons;
• o núcleo de um átomo.

Estes últimos também podem ser divididos em partes muito elementares, que na ciência são chamadas de prótons e neurônios, dos quais há um número claro em cada caso.

O número de prótons que estão no núcleo indica a estrutura da casca, que consiste em elétrons. Essa casca, por sua vez, contém todas as propriedades necessárias de um determinado material, substância ou objeto. Calcular a soma de prótons é muito simples - basta saber o número de série da menor parte da substância (átomo) na conhecida tabela periódica. Esse valor também é chamado de número atômico e é indicado pela letra latina "Z". É importante lembrar que os prótons têm carga positiva e, por escrito, esse valor é definido como +1.

Os neurônios são o segundo componente do núcleo de um átomo. Esta é uma partícula subatômica elementar que não carrega nenhuma carga, ao contrário de elétrons ou prótons. Os neurônios foram descobertos em 1932 por J. Chadwick, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel 3 anos depois. Em livros didáticos e artigos científicos, eles são referidos como o caractere latino "n".

O terceiro componente do átomo é o elétron, que está em movimento monótono ao redor do núcleo, criando assim uma nuvem. É esta partícula a mais leve de todas conhecidas pela ciência moderna, o que significa que sua carga também é a menor... O elétron é denotado na letra de -1.

É a combinação de partículas positivas e negativas na estrutura que torna o átomo uma partícula sem carga ou com carga neutra. O núcleo, em comparação com o tamanho total de todo o átomo, é muito pequeno, mas é nele que se concentra todo o peso, o que indica sua alta densidade.

Como determinar a carga do núcleo de um átomo?

Para determinar a carga do núcleo de um átomo, você precisa conhecer bem a estrutura, a estrutura do próprio átomo e seu núcleo, entender as leis básicas da física e da química e também estar armado com a tabela periódica de Mendeleev para determinar o número atômico de um elemento químico.

1. O conhecimento de que uma partícula microscópica de qualquer substância possui um núcleo e elétrons em sua estrutura, que criam uma casca ao seu redor em forma de nuvem. O núcleo, por sua vez, inclui dois tipos de partículas elementares indivisíveis: prótons e neurônios, cada um com propriedades e características próprias. Os neurônios não possuem uma carga eletrônica em seu arsenal. Isso significa que sua carga não é igual nem maior ou menor que zero. Os prótons, ao contrário de suas contrapartes, carregam uma carga positiva. Em outras palavras, sua carga elétrica pode ser denotada como +1.
2. Os elétrons, que são parte integrante de cada átomo, também carregam um certo tipo de carga elétrica. Eles são partículas elementares carregadas negativamente e, por escrito, são definidos como -1.
3. Para calcular a carga de um átomo, você precisa de conhecimento sobre sua estrutura (acabamos de lembrar as informações necessárias), o número de partículas elementares na composição. E para descobrir a soma da carga de um átomo, você precisa somar matematicamente o número de algumas partículas (prótons) a outras (elétrons). Normalmente, a característica de um átomo diz que ele é neutro em elétrons. Em outras palavras, o valor dos elétrons é igual ao número de prótons. O resultado é que o valor da carga de tal átomo é igual a zero.
4. Uma nuance importante: há situações em que o número de partículas elementares carregadas positivamente e negativamente no núcleo pode não ser igual. Isso sugere que o átomo se torna um íon com carga positiva ou negativa.

A designação do núcleo de um átomo no campo científico se parece com Ze. Decifrar isso é bem simples: Z é o número atribuído ao elemento na conhecida tabela periódica, também é chamado de número ordinal ou de carregamento. E indica o número de prótons no núcleo de um átomo, e e é apenas a carga de um próton.

Na ciência moderna, existem núcleos com diferentes valores de carga: de 1 a 118.

Outro conceito importante que os jovens químicos precisam saber é o número de massa. Este conceito indica a quantidade total de carga dos núcleons (estes são os menores componentes do núcleo de um átomo de um elemento químico). E você pode encontrar esse número se usar a fórmula: UMA = Z + N onde A é o número de massa desejado, Z é o número de prótons e N é o número de nêutrons no núcleo.

Qual é a carga nuclear de um átomo de bromo?

Para demonstrar na prática como encontrar a carga de um átomo de um elemento necessário (no nosso caso, o bromo), vale consultar a tabela periódica dos elementos químicos e lá encontrar o bromo. Seu número atômico é 35. Isso significa que a carga de seu núcleo também é 35, pois depende do número de prótons do núcleo. E o número de prótons é indicado pelo número sob o qual o elemento químico se encontra na grande obra de Mendeleev.

Aqui estão mais alguns exemplos para tornar mais fácil para os jovens químicos calcular os dados necessários no futuro:

• a carga do núcleo do átomo de sódio (na) é 11, pois é sob esse número que se encontra na tabela dos elementos químicos.
• a carga do núcleo de fósforo (cuja designação simbólica é P) tem o valor de 15, porque é quantos prótons há em seu núcleo;
• o enxofre (com designação gráfica S) é vizinho na tabela do elemento anterior, portanto, sua carga nuclear é 16;
• o ferro (e podemos encontrá-lo na designação Fe) está no número 26, o que indica o mesmo número de prótons em seu núcleo e, portanto, a carga do átomo;
• o carbono (também conhecido como C) está abaixo do 6º número da tabela periódica, o que indica as informações de que precisamos;
• o magnésio tem número atômico 12 e, no simbolismo internacional, é conhecido como Mg;
• o cloro na tabela periódica, onde está escrito como Cl, é o número 17, então seu número atômico (ou seja, precisamos dele) é o mesmo - 17;
• o cálcio (Ca), tão útil para os organismos jovens, encontra-se no número 20;
• a carga do núcleo do átomo de azoto (com a designação escrita N) é 7, é por esta ordem que se apresenta na tabela periódica;
• o bário está no número 56, que é igual à sua massa atômica;
• o elemento químico selênio (Se) possui 34 prótons em seu núcleo, o que mostra que esta será a carga do núcleo de seu átomo;
• a prata (ou Ag escrita) tem um número de série e uma massa atômica de 47;
• se você precisa descobrir a carga do núcleo do átomo de lítio (Li), precisa voltar ao início da grande obra de Mendeleev, onde ele está no número 3;
• Aurum ou nosso ouro favorito (Au) tem uma massa atômica de 79;
• para argônio, esse valor é 18;
• rubídio tem uma massa atômica de 37, enquanto o estrôncio tem uma massa atômica de 38.

É possível listar todos os componentes da tabela periódica de Mendeleev por muito tempo, porque são muitos (esses componentes). O principal é que a essência desse fenômeno é clara, e se você precisar calcular o número atômico de potássio, oxigênio, silício, zinco, alumínio, hidrogênio, berílio, boro, flúor, cobre, flúor, arsênico, mercúrio, néon , manganês, titânio, basta consultar a tabela de elementos químicos e descobrir o número de série de uma determinada substância.

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 do núcleo de qualquer elemento químico é igual ao produto de Z por e, onde Z é o número de série deste elemento no sistema periódico de elementos químicos, e é o valor da carga elétrica elementar.

Elétron- é a menor partícula de uma substância com carga elétrica negativa e=1,6·10 -19 coulombs, tomada 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 se tornar um 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(a parte central do átomo) consiste em partículas nucleares elementares - prótons e nêutrons. O raio do núcleo é cerca de cem mil vezes menor que o raio do átomo. A densidade do núcleo atômico é extremamente alta. prótons- Estas são partículas elementares estáveis ​​com 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 tem uma enorme reserva de energia, que é liberada durante as 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 igual à massa de um elétron, mas com carga positiva, chamada de pósitron (decaimento de pósitrons), é emitida de o núcleo, ou o núcleo captura um dos elétrons da camada K mais próxima (captura K).

Às vezes, o núcleo formado tem excesso de energia (está em estado excitado) e, passando para o estado normal, libera o excesso de energia na forma de radiação eletromagnética com comprimento de onda muito curto -. A energia liberada durante as reações nucleares é praticamente utilizada em diversas indústrias.

Um átomo (do grego atomos - indivisível) é a menor partícula de um elemento químico que possui suas propriedades químicas. Cada elemento é feito de certos tipos de átomos. 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 massa aproximadamente 1840 vezes maior que a massa de um elétron (igual a 9,1 10 - 28 g), prótons (ver), carregados positivamente e nêutrons sem carga (ver). O número de núcleons no núcleo é chamado de 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 das camadas eletrônicas e a química propriedades 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. A massa relativa de um átomo de um determinado isótopo é determinada em relação à massa de um átomo do isótopo de carbono C 12, tomada como 12 unidades, e é chamada 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 ondulatórias que se manifestam na difração e na 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 na teoria quântica o mesmo papel que as leis do movimento de Newton na mecânica clássica. A solução da equação de Schrödinger em muitos casos leva a possíveis estados discretos do sistema. Assim, por exemplo, no caso de um átomo, obtém-se uma série de funções de onda para elétrons correspondentes a diferentes valores (quantizados) de energia. O sistema de níveis de energia do átomo, calculado pelos métodos da teoria quântica, recebeu brilhante confirmação na espectroscopia. A transição de um átomo do estado fundamental correspondente ao nível de energia mais baixo 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, a teoria quântica tornou possível explicar outras propriedades dos átomos. Em particular, a valência, a natureza da ligação química e a estrutura das moléculas foram explicadas, e a teoria do sistema periódico de elementos foi criada.

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 estão concentradas.

NO composição do núcleo atômico inclui partículas elementares : prótons e nêutrons (nucleons da palavra latina núcleo- núcleo). Tal modelo próton-nêutron do núcleo foi proposto pelo 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 mim. nêutron ( n) é uma partícula neutra com massa de repouso m n= 1,675 10 -27 kg = 1839 mim(onde a massa do elétron mim, 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.

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 UMA = Z + N chamado Número de massa . núcleos com o mesmo Z, Mas diferente E chamado isótopos. Kernels, que, ao mesmo UMA tem diferente Z, são chamados isóbaras.

O núcleo é denotado pelo mesmo símbolo que o 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. A grande maioria dos isótopos do mesmo elemento químico tem as mesmas propriedades químicas e físicas semelhantes. 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 E tenho giro inteiro(em unidades ħ ) e obedecer as estatísticas Bose–einsten(bósons). Núcleos com chance E tenho rotação semi-inteira(em unidades ħ ) e obedecer as estatísticas fermi–Dirac(Essa. 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 eé o valor absoluto da carga do elétron, m pé a massa do próton.

magneton nuclear em m p/mim= 1836,5 vezes menor que o magneton de Bohr, daí segue-se que as propriedades magnéticas dos átomos são determinadas pelas propriedades magnéticas de 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. O momento magnético do 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 é geralmente assimétrica. A medida do 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, uma- eixo na direção perpendicular. Para um núcleo esticado ao longo da direção do spin, b > uma e Q> 0. Para um núcleo oblato nesta direção, b < uma e Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = uma e Q= 0. Isso é verdade para núcleos com spin igual a 0 ou ħ /2.

Para ver as demonstrações, clique no hiperlink apropriado:

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 uma carga elementar negativa. Os elétrons em um átomo são distribuídos em camadas e subcamadas de energia dependendo de seu número, portanto, a carga do núcleo tem um efeito significativo na distribuição de elétrons em 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.

Agora é comum denotar vários elementos químicos da seguinte forma: , onde X é o símbolo de um elemento químico na tabela periódica, que corresponde à carga.

Elementos que têm o mesmo Z, mas diferentes massas atômicas (A) (o que significa que o núcleo tem o mesmo número de prótons, mas um número diferente de 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 .

A primeira medição indireta da 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 uma unidade de massa atômica. A massa dos elétrons em um átomo é muito menor que a massa do núcleo, então acredita-se que o número de massa do núcleo seja aproximadamente igual à massa atômica relativa do elemento, se arredondado para o inteiro mais próximo.

Exemplos de resolução de problemas

EXEMPLO 1

Exercício

Os núcleos são sistemas muito estáveis, portanto, prótons e nêutrons devem ser mantidos dentro do núcleo por algum tipo de força. O que você pode dizer sobre essas forças?

Decisão

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 portadoras de cargas de mesmo sinal, só pode haver repulsão elétrica. Os nêutrons são partículas eletricamente neutras. Um tipo especial de força atua entre os núcleons, que são chamados de forças nucleares. Essas forças são quase 100 vezes mais fortes que as forças elétricas. As forças nucleares são as mais poderosas de todas as forças conhecidas 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

Qual é a distância mínima que o núcleo de um átomo de hélio, tendo uma energia cinética igual à de uma colisão frontal, pode se aproximar do núcleo imóvel de um átomo de chumbo?

Decisão

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. A 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; - a intensidade do campo eletrostático, que cria o núcleo do átomo de chumbo. De (2.1) - (2.3) obtemos: