Protoni și neutroni

Toate obiectele din jurul nostru constau din molecule, care, la rândul lor, sunt formate din atomi, adică din cele mai mici particule de elemente chimice. În ciuda dimensiunilor lor extrem de mici, atomii sunt foarte formațiuni complexe, care includ un miez central greu și o înveliș ușoară de electroni, al căror număr este de obicei egal cu numărul ordinal al elementului din sistemul periodic Mendeleev. Aproape toată masa unui atom este concentrată în nucleu. De asemenea, are o structură foarte complexă. Principalele „cărămizi” din care sunt construite nucleele sunt protonii și neutronii.
Protonul este nucleul atomului de hidrogen, cel mai ușor element chimic, care ocupă primul loc în tabelul lui D. I. Mendeleev și, în conformitate cu acesta, are un singur electron în învelișul electronic. Dacă ionizezi un atom de hidrogen, adică îi elimini singurul electron, atunci va rămâne un nucleu care, din cauza lipsei unei învelișuri, poate fi numit nucleu „gol” și care va fi doar un proton (din cuvânt grecesc„protos” - primul).
Un proton este o particulă încărcată pozitiv, iar sarcina sa în mărime este exactă egal cu taxa electron. Masa unui proton este exprimată ca o cifră de 1,6-10 -24 grame. Aceasta înseamnă că masa unei mii de milioane de protoni este de 10 mii de ori mai mică decât o sută de milionmii dintr-un miligram. Și totuși, această particulă „elementară” aparține categoriei „grele”, deoarece masa ei este de 1836,6 ori mai mare decât masa unui electron. Dimensiunile protonului sunt, de asemenea, foarte mici: diametrul său este de 100 de mii de ori mai mic decât diametrul atomului, care este de aproximativ o sută de milioane de centimetru. Drept urmare, densitatea materiei protonului, în ciuda masei sale neglijabile, este enormă. Dacă un cub cu o margine de 1 milimetru ar putea fi umplut cu aceste particule, astfel încât să ocupe complet întregul volum, atingându-se unul pe celălalt, atunci un astfel de cub ar cântări 120 de mii de tone! Desigur, în realitate, un astfel de experiment nu poate fi realizat. Protonii, fiind particule asemănătoare încărcate, se resping reciproc și sunt necesari forțe colosale pentru a le apropia. Cu toate acestea, există stele pe care există condiții favorabile pentru o apropiere relativ apropiată a protonilor unul de celălalt. Aceste stele (de exemplu, steaua Vann - Maanen din constelația Pești) se remarcă printr-o densitate extrem de mare a materiei, deși, desigur, este de milioane de ori mai mică decât în ​​cazul pe care l-am considerat al unui cub format doar din protoni.
Faptul că compoziţia nuclee atomice include protoni, a fost dovedit în urma experimentelor efectuate în 1919 de fizicianul englez Rutherford. În aceste experimente, el a folosit un flux de particule alfa rapide (adică nucleele atomilor de heliu) formate în timpul dezintegrarii radioactive a radiului C. Când bombardează nucleele de azot cu particule alfa, s-a constatat că acestea din urmă au emis un fel de rapid. particule cu o plecare simultană în direcție opusă particule grele lente. La studierea acestui fenomen într-o cameră cu nori, s-a descoperit că particulele rapide sunt protoni, iar particulele lente sunt nuclee de oxigen. S-a dovedit că nucleul de azot, captând o particulă alfa, este transformat într-un nucleu de oxigen cu emisia unui proton. Bombardarea nucleelor ​​atomilor altor elemente cu particule alfa a confirmat și în aceste nuclee prezența protonilor.
Cu toate acestea, nucleele (cu excepția nucleului de hidrogen) nu pot consta numai din protoni. Într-adevăr, nucleul atomului de heliu, care ocupă locul al doilea în tabelul lui D. I. Mendeleev, are o sarcină egală cu sarcina a doi protoni, iar masa sa este de patru ori mai mare decât masa unui proton. În mod similar, sarcina unui nucleu de oxigen este egală cu opt sarcini ale unui proton, iar masa acestui nucleu este de șaisprezece ori masa unui proton. Explicația pentru această discrepanță a fost găsită după descoperirea unei noi particule „elementare” - așa-numitul neutron.
În 1930, oamenii de știință au descoperit că atunci când particulele alfa sunt bombardate cu anumite elemente (beriliu, bor și altele), apar radiații de la particule neîncărcate, care pot pătrunde într-un strat relativ gros de plumb (până la 5 centimetri). În 1931 fizicienilor francezi Irene şi Frédéric Joliot-Curie au descoperit că dacă o substanţă ale cărei molecule conţin număr mare atomi de hidrogen (de exemplu, parafină), apoi protonii încep să zboare din ea.
S-ar putea presupune că din nou radiații deschise este format din fotoni. Cu toate acestea, pentru a putea elimina protonii din parafină, acești fotoni ar trebui să aibă o energie de aproximativ 50 de milioane de electroni volți. LA ultimul caz ar pătrunde în grosimi mult mai mari de plumb decât s-a observat experimental (pentru ca un foton să treacă prin 5 centimetri de plumb este nevoie de o energie de doar 5 milioane de electroni volți). Contradicția care a apărut a fost rezolvată ca urmare a muncii omului de știință englez Chadwick. El a arătat că protonii emiși de parafină, precum și nucleele emise de alți atomi sub influența unei radiații necunoscute, se mișcă ca și cum ar fi eliminați nu de un foton, ci de o particulă grea a cărei masă este aproximativ egală cu masa unui proton. Astfel, prin eforturile unui număr de fizicieni, s-a stabilit existența unei particule grele neîncărcate, neutronul. Masa neutronului este de 1839 de ori masa electronului, dar spre deosebire de proton (și electron), sarcina lui este zero. De aceea, neutronii au capacitatea de a pătrunde prin straturi groase de plumb.
O particulă neîncărcată poate pătrunde în interiorul unui atom fără a experimenta nici repulsie sau atracție din partea particulelor încărcate (electroni și nuclei) și fără a-și pierde energia pentru a depăși acțiunea. forte electrice, pentru ionizarea atomilor. Prin urmare, calea unui neutron, în orice substanță, celelalte lucruri fiind egale, este mai lungă decât, de exemplu, un proton. Din cauza incapacității neutronului de a produce ionizare, este foarte greu de observat, care a fost motivul descoperirii relativ târzii a acestei particule.
Descoperirea neutronului a făcut posibil să înțelegem de ce greutatea nucleelor ​​atomice depășește greutatea protonilor pe care îi conțin. Oamenii de știință sovietici D. D. Ivanenko și E. D. Gapon au prezentat ideea structurii proton-neutron a nucleelor, care este acum general acceptată. Conform acestui punct de vedere, pe lângă doi protoni, un nucleu de heliu conține încă doi neutroni și, prin urmare, sarcina lui este de două, iar masa sa este de patru ori mai mare decât masa unui proton (sau aproape egală cu masa unui neutron) . În mod similar, în alte nuclee, pe lângă protoni, există neutroni. În fisiunea nucleară, cauzată, de exemplu, de o particulă alfa rapidă care lovește nucleul, pot fi emiși neutroni. Acest proces a servit doar ca primul indiciu al existenței celui din urmă.
Un neutron fără sarcină poate pătrunde cu ușurință nu numai într-un atom, ci chiar și într-un nucleu. Lovirea unui neutron într-un nucleu greu duce într-un număr de cazuri la distrugerea acestuia din urmă, în urma căreia se formează nuclee mai ușoare și se eliberează o cantitate foarte semnificativă de energie intranucleară. Proprietatea neutronilor de a produce fisiune nucleară este folosită pentru a obține energie atomică (mai corect ar fi să spunem - nucleară).
Puterea mare de penetrare a neutronilor, împreună cu capacitatea de a distruge nucleele, determină efectul lor periculos asupra ființelor vii. Un flux de neutroni suficient de puternic, care a intrat în părțile interne ale corpului, elimină protonii rapidi și alte particule încărcate din nuclee, care, prin ionizarea atomilor moleculelor organice complexe întâlnite pe drumul lor, contribuie la descompunerea acestora din urmă și perturbând astfel viața unei plante sau a unui animal. Cu toate acestea, proprietățile distructive ale neutronilor pot fi folosite în beneficiul oamenilor. La urma urmei, cu ajutorul acestor particule oamenii de știință au descoperit depozite naturale inaccesibile anterior de energie intranucleară: prin spargerea nucleelor, neutronii eliberează această energie, pe care o folosim deja în scopuri pașnice în Uniunea Sovietică. În plus, după ce au fost bombardate de neutroni, unele elemente chimice sunt transformate în substanțe radioactive artificiale, care devin din ce în ce mai răspândite în medicină, în studierea activității vitale a organismelor prin metoda atomilor marcați, în tehnologie etc.
În prezent, există multe modalități de obținere a neutronilor necesari conducerii diverse studiiîn domeniul fizicii nucleare şi pentru un număr de aplicații practice. Cea mai veche dintre aceste metode este fabricarea așa-numitei surse de radiu-beriliu. Un vas din sticlă sau metal este umplut cu pulbere de beriliu amestecată cu puțină sare de radiu (de exemplu, bromură de radiu). La dezintegrare radioactivă Particulele alfa zboară din nucleele de radiu, care, interacționând cu nucleele de beriliu, scot neutronii din ele. Acestea din urmă, datorită capacității lor mari de penetrare, trec liber prin pereții vasului.
După inventarea unor dispozitive speciale - acceleratoare (ciclotroni, fazotroni, sincrofazotroni și altele), care informează particulele încărcate energii mari, a devenit posibilă obținerea de neutroni în mod artificial. Pentru a face acest lucru, un fascicul de particule grele încărcate accelerat într-un ciclotron sau într-o altă mașină similară, de exemplu, deutroni (nuclee grele de hidrogen), este direcționat către o țintă formată dintr-o anumită substanță (de exemplu, litiu). Ca rezultat, neutronii sunt scoși din nucleele atomilor țintă. Prin schimbarea energiei „obuzelor” care bombardează ținta, este posibil să se obțină neutroni de diferite energii.
O altă sursă puternică de particule grele neîncărcate sunt reactoarele nucleare (cazanele) în care se desfășoară reacții în lanț de fisiune. nuclee grele. Acest lucru produce un număr mare de neutroni care scapă din cazan în exterior.
Neutronii, ca și alte particule „elementare” (electroni, protoni), au proprietățile undei. Un fascicul de neutroni, cum ar fi lumina (fluxul de fotoni) 3, experimentează reflexie, difracție, polarizare etc. Prin urmare, particulele grele neîncărcate pot fi folosite pentru a studia structura cristalelor (prin strălucirea lor cu un fascicul de neutroni) în același mod ca și Se folosesc raze X. Există unele dificultăți în înregistrarea neutronilor, deoarece aceștia nu produc ionizare și, prin urmare, este imposibil de observat trecerea lor printr-o cameră cu nori, un contor, o cameră de ionizare și alte dispozitive utilizate de obicei pentru a detecta și număra particulele încărcate. Nici neutronii nu lasă urme în emulsiile fotografice. Cu toate acestea, proprietatea neutronilor de a distruge nucleele, de a provoca reacții nucleare, ne oferă o modalitate de a înregistra aceste particule. Un gaz care conține nuclee de bor este adăugat la un contor convențional sau o cameră de ionizare. Neutronii despart aceste nuclee, iar particulele alfa zboară, creând descărcări în curentul contor sau de ionizare din cameră, ceea ce face posibilă fixarea fluxului de neutroni. Este posibil să se utilizeze emulsii fotografice cu care se amestecă săruri de litiu sau bar pentru a detecta neutronii. Când un neutron lovește nucleul unui atom al oricăruia dintre aceste elemente, nucleul se desparte odată cu eliberarea unei particule încărcate rapid, a cărei urmă este vizibilă în emulsia fotografică.

Deși există o diferență semnificativă între protoni și neutroni prin faptul că aceștia din urmă nu au nicio sarcină, în alte privințe sunt foarte asemănători unul cu celălalt. Masele acestor particule sunt aproape exact egale, iar comportamentul lor în interiorul nucleului (mărimea și natura forțelor nucleare care acționează între protoni, între neutroni și între ambii) este, de asemenea, aproximativ același. Faptul este că protonii, ca particule încărcate similar, trebuie să se respingă în nucleu. Deoarece nucleele există totuși sub formă de formațiuni stabile, este evident că protonii sunt ținuți în ele de unele forțe care depășesc forțele de respingere electrostatică. S-a dovedit că aceste forțe nucleare specifice acționează nu numai între protoni și între neutroni, ci și leagă particule de ambele tipuri între ele. Aceasta înseamnă că protonii și neutronii nucleului interacționează într-un anumit mod între ei (deși natura fizica o astfel de interacţiune este departe de a fi elucidată). Oamenii de știință au descoperit, de asemenea, că ambele particule se pot transforma una în cealaltă. Deci, în nucleu, un neutron este convertit într-un proton cu emisia unui electron încărcat negativ și a unei alte particule de lumină neîncărcată, neutrinul (masa neutrinului este mai mică de 1:400 din masa electronului). Are loc și un alt proces: un proton din nucleu trece într-un neutron cu eliberarea unui electron încărcat pozitiv (pozitron) și a unui neutrin. Toate aceste fenomene, observate în timpul dezintegrarii unor nuclee radioactive, au primit unul denumirea comună dezintegrare beta.
Din punctul de vedere al teoriei dezintegrarii beta, neutronul și protonul nu sunt diferite: ambele se transformă bine unul în celălalt. Din acest motiv, ambele particule sunt adesea denumite pur și simplu nucleoni. Adevărat, trebuie subliniat că, dacă în nucleu toți nucleonii se comportă în același mod în ceea ce privește dezintegrarea beta, atunci în stare liberă, în afara nucleului, protonii și neutronii prezintă proprietăți diverse. Protonul în sine este o particulă stabilă sau, după cum se spune, stabilă, în timp ce un neutron liber se descompune spontan cu un timp de înjumătățire de aproximativ 20 de minute. În același timp, se transformă într-un proton și emite, ca în dezintegrarea din interiorul nucleului, un electron și un neutrin.
Diferența dintre un proton și un neutron în stare liberă se datorează mai multor motive. Unul dintre ele este că pentru transformarea unui proton într-un neutron este necesar să se cheltuiască o energie considerabilă (în orice caz, mai mult de 1,9 milioane de electroni volți). Deoarece protonul liber nu are de unde să împrumute această energie, este o particulă stabilă. În ceea ce privește neutronul, acesta are o masă mai mare decât protonul și, prin urmare, stoc mare energie. Transformarea unui neutron într-un proton eliberează aproximativ 800.000 de electroni volți de energie. Asa de neutroni liberi diferă în proprietatea radioactivității.
Protonii, neutronii, neutrinii, precum și fotonii și electronii, se găsesc în razele cosmice. În special, protonii constituie așa-numita componentă primară radiații cosmice, adică vin pe Pământ din spațiul interstelar. Desigur, neutronii, care în stare liberă se transformă în protoni, nu pot fi prezenți în radiația primară. Cu toate acestea, ele se formează în atmosferă în timpul ciocnirii protonilor primari (și a nucleelor ​​mai grele) cu nucleele atomilor de azot, oxigen și alte gaze. carcasă de aer planeta noastră. Protoni raze cosmice posedă energie colosală și, prin urmare, poate, în ciuda prezenței unei sarcini pozitive, să pătrundă cu ușurință în nucleele atomilor. În ciocnirea nucleonilor cu o astfel de energie gigantică, au loc procese care nu sunt observate în interacțiunea nucleonilor de energie inferioară. De exemplu, în astfel de ciocniri, se nasc noi particule - mezoni de diferite mase.
Faptele interacțiunii nucleonilor din nucleul descrise mai sus nu înseamnă deloc că neutronul este format dintr-un proton și un electron sau, dimpotrivă, că un proton conține un neutron și un pozitron. Esența dezintegrarii beta constă tocmai în faptul că neutronul se transformă în alte trei particule (proton, electron, neutrin) sau protonul se transformă într-un neutron, pozitron și neutrin. Aceste procese au loc cu respectarea strictă a legilor de conservare a energiei, masei, impulsului, încărcăturii etc. și mărturisesc în mod convingător variabilitatea particulelor „elementare” și prezența conexiune profundăîntre ele.

Capitol unul. PROPRIETATI ALE NUCLEILOR STABILI

S-a spus deja mai sus că nucleul este format din protoni și neutroni legați de forțe nucleare. Dacă măsurăm masa nucleului în unități atomice masa, atunci ar trebui să fie aproape de masa protonului înmulțită cu un număr întreg numit număr de masă. Dacă sarcina nucleului și numărul de masă, atunci aceasta înseamnă că compoziția nucleului include protoni și neutroni. (Numărul de neutroni dintr-un nucleu este de obicei notat cu

Aceste proprietăți ale nucleului sunt reflectate în notația simbolică, care va fi folosită ulterior în formă

unde X este numele elementului căruia îi aparține atomul nucleul (de exemplu, nuclee: heliu - , oxigen - , fier - uraniu

Principalele caracteristici ale nucleelor ​​stabili includ: sarcina, masa, raza, momentele mecanice si magnetice, spectrul stări excitate, paritatea și momentul cvadrupolului. Nucleele radioactive (instabile) sunt caracterizate în plus prin durata de viață, tipul de transformări radioactive, energia particulelor emise și o serie de alte proprietăți speciale, care vor fi discutate mai jos.

În primul rând, să luăm în considerare proprietățile particulelor elementare care alcătuiesc nucleul: proton și neutron.

§ 1. PRINCIPALELE CARACTERISTICI ALE PROTONULUI SI NEUTRONULUI

Greutate.În unități de masă a electronului: masa protonului este masa neutronului.

În unități de masă atomică: masa protonilor masa neutronilor

LA unități energetice masa în repaus a unui proton masa în repaus a unui neutron

Incarcare electrica. q este un parametru care caracterizează interacțiunea unei particule cu câmp electric, se exprimă în unități de sarcină electronică unde

Toate particule elementare transportă o cantitate de electricitate egală fie cu 0, fie cu sarcina protonului. Sarcina neutronului este zero.

A învârti. Spinii protonului și neutronului sunt egali.Ambele particule sunt fermioni și se supun statisticii Fermi-Dirac și, prin urmare, principiului Pauli.

moment magnetic. Dacă înlocuim în formula (10), care determină momentul magnetic al electronului în loc de masa electronului, masa protonului, obținem

Mărimea se numește magneton nuclear. S-ar putea presupune prin analogie cu electronul că momentul magnetic de spin al protonului este egal.Totuși, experiența a arătat că momentul magnetic intrinsec al protonului este mai mare decât magnetonul nuclear: conform datelor moderne

În plus, s-a dovedit că o particulă neîncărcată - un neutron - are, de asemenea, un moment magnetic care este diferit de zero și egal cu

Prezența unui moment magnetic în neutron și așa mare importanță momentul magnetic al protonului contrazice ipotezele despre natura punctuală a acestor particule. O serie de date experimentale obținute în anul trecut, indică faptul că atât protonul, cât și neutronul au o structură complexă neomogenă. În același timp, o sarcină pozitivă este situată în centrul neutronului, iar la periferie există o sarcină negativă egală cu aceasta ca mărime, distribuită în volumul particulei. Dar întrucât momentul magnetic este determinat nu numai de mărimea curentului care curge, ci și de aria acoperită de acesta, momentele magnetice create de acestea nu vor fi egale. Prin urmare, un neutron poate avea moment magnetic rămânând în general neutru.

Transformări reciproce ale nucleonilor. Masa unui neutron este mai mare decât masa unui proton cu 0,14%, sau 2,5 mase de electroni,

Într-o stare liberă, un neutron se descompune într-un proton, un electron și un antineutrin: durata sa medie de viață este de aproape 17 minute.

Protonul este o particulă stabilă. Cu toate acestea, în interiorul nucleului, se poate transforma într-un neutron; în care reacția continuă conform schemei

Diferența dintre masele particulelor din stânga și din dreapta este compensată de energia transmisă protonului de către alți nucleoni ai nucleului.

Protonul și neutronul au aceleași spini, aproape aceleași mase și se pot transforma unul în celălalt. Se va arăta mai târziu că forțele nucleare care acționează între aceste particule în perechi sunt, de asemenea, aceleași. Prin urmare, sunt numiți cu denumirea comună - nucleon și spun că nucleonul poate fi în două stări: proton și neutron, care diferă în relația lor cu câmpul electromagnetic.

Neutronii și protonii interacționează datorită existenței forțelor nucleare, care sunt de natură neelectrică. Forțele nucleare își datorează originea schimbului de mezoni. Dacă reprezentăm dependenţa energie potențială interacțiunea unui proton și a unui neutron de energii joase pe distanța dintre ele, atunci aproximativ va avea forma unui grafic prezentat în Fig. 5a, adică are forma unei puțuri potențiale.

Orez. Fig. 5. Dependenţa energiei potenţiale de interacţiune de distanţa dintre nucleoni: a - pentru perechile neutron-neutron sau neutron-proton; b - pentru o pereche de proton - proton

Să vorbim despre cum să găsim protoni, neutroni și electroni. Există trei tipuri de particule elementare într-un atom, fiecare cu propriile sale sarcina elementara, greutate.

Structura nucleului

Pentru a înțelege cum să găsiți protoni, neutroni și electroni, imaginați-vă că este partea principală a atomului. În interiorul nucleului se află protoni și neutroni numiți nucleoni. În interiorul nucleului, aceste particule pot trece unele în altele.

De exemplu, pentru a găsi protoni, neutroni și electroni în el este necesar să-i cunoaștem număr de serie. Dacă luăm în considerare că acest element este cel care conduce sistemul periodic, atunci nucleul său conține un proton.

Diametrul unui nucleu atomic este de zece miimi din dimensiunea totală a unui atom. Conține cea mai mare parte a întregului atom. Masa nucleului este de mii de ori mai mare decât suma tuturor electronilor prezenți în atom.

Caracterizarea particulelor

Luați în considerare cum să găsiți protoni, neutroni și electroni într-un atom și aflați despre caracteristicile acestora. Protonul este cel care corespunde nucleului atomului de hidrogen. Masa sa depășește electronul de 1836 de ori. Pentru a determina unitatea de electricitate care trece printr-un conductor cu un dat secțiune transversală, utilizare incarcare electrica.

Fiecare atom are un anumit număr de protoni în nucleul său. Este valoare constantă, caracterizează substanţa chimică şi proprietăți fizice acest element.

Cum să găsești protoni, neutroni și electroni într-un atom de carbon? Numărul de serie al acestuia element chimic 6, deci există șase protoni în nucleu. Conform sistemului planetar, șase electroni se mișcă pe orbite în jurul nucleului. Pentru a determina numărul de neutroni din valoarea carbonului (12) scădem numărul de protoni (6), obținem șase neutroni.

Pentru un atom de fier, numărul de protoni corespunde cu 26, adică acest element are al 26-lea număr de serie în tabelul periodic.

Neutronul este electric particulă neutră, instabil în stare liberă. Un neutron este capabil să se transforme spontan într-un proton încărcat pozitiv, în timp ce emite un antineutrin și un electron. Perioada mijlocie timpul său de înjumătățire este de 12 minute. Numărul de masă este suma numărului de protoni și neutroni din nucleul unui atom. Să încercăm să ne dăm seama cum să găsim protoni, neutroni și electroni într-un ion? Dacă un atom în timpul interacțiune chimică cu alt element dobândeşte grad pozitiv oxidare, numărul de protoni și neutroni din acesta nu se modifică, doar electronii devin mai mici.

Concluzie

Au existat mai multe teorii cu privire la structura atomului, dar niciuna nu a fost viabilă. Înainte de versiunea creată de Rutherford, nu exista o explicație detaliată a locației protonilor și neutronilor în interiorul nucleului, precum și a rotației electronilor pe orbite circulare. După apariţia teoriei structura planetară atom, cercetătorii au ocazia nu numai să determine numărul de particule elementare dintr-un atom, ci și să prezică Proprietăți chimice element chimic specific.

Ce este un neutron? Care sunt structura, proprietățile și funcțiile sale? Neutronii sunt cele mai mari dintre particulele care alcătuiesc atomii, care sunt elementele de bază ale întregii materii.

Structura atomului

Neutronii sunt localizați în nucleu - o regiune densă a atomului, plină de asemenea cu protoni (particule încărcate pozitiv). Aceste două elemente sunt ținute împreună de o forță numită nucleară. Neutronii au o sarcină neutră. Sarcina pozitivă a protonului este asociată cu sarcina negativa electron pentru a crea atom neutru. Deși neutronii din nucleu nu afectează sarcina unui atom, ei au multe proprietăți care afectează un atom, inclusiv nivelul de radioactivitate.

Neutroni, izotopi și radioactivitate

O particulă care se află în nucleul unui atom - un neutron este cu 0,2% mai mare decât un proton. Împreună, ele reprezintă 99,99% din masa totală a aceluiași element pe care o poate avea cantitate diferită neutroni. Când oamenii de știință se referă la masa atomică, ei înseamnă masa atomică medie. De exemplu, carbonul are de obicei 6 neutroni și 6 protoni cu o masă atomică de 12, dar uneori apare cu o masă atomică de 13 (6 protoni și 7 neutroni). Carbonul cu număr atomic 14 există și el, dar este rar. Asa de, masă atomică pentru carbon este mediată la 12.011.

Când atomii au un număr diferit de neutroni, ei se numesc izotopi. Oamenii de știință au găsit modalități de a adăuga aceste particule în nucleu pentru a crea izotopi mari. Acum adăugarea de neutroni nu afectează sarcina atomului, deoarece aceștia nu au nicio sarcină. Cu toate acestea, ele cresc radioactivitatea atomului. Acest lucru poate duce la atomi foarte instabili care se pot descărca niveluri înalte energie.

Ce este un nucleu?

În chimie, nucleul este centrul încărcat pozitiv al unui atom, care este format din protoni și neutroni. Cuvântul „miez” provine din latinescul nucleus, care este o formă a cuvântului care înseamnă „nucă” sau „miez”. Termenul a fost inventat în 1844 de Michael Faraday pentru a descrie centrul unui atom. Se numesc științele implicate în studiul nucleului, studiul compoziției și caracteristicilor acestuia fizica nuclearași chimie nucleară.

Protonii și neutronii sunt ținuți împreună de forța nucleară puternică. Electronii sunt atrași de nucleu, dar se mișcă atât de repede încât rotația lor se realizează la o anumită distanță de centrul atomului. Sarcina nucleară pozitivă provine de la protoni, dar ce este un neutron? Este o particulă care nu are sarcină electrică. Aproape toată greutatea unui atom este conținută în nucleu, deoarece protonii și neutronii au mult mai multă masă decât electronii. Numărul de protoni dintr-un nucleu atomic determină identitatea acestuia ca element. Numărul de neutroni indică care izotop al unui element este un atom.

Dimensiunea nucleului atomic

Nucleul este mult mai mic decât diametrul total al atomului, deoarece electronii pot fi mai departe de centru. Un atom de hidrogen este de 145.000 de ori mai mare decât nucleul său, iar un atom de uraniu este de 23.000 de ori mai mare decât centrul său. Nucleul de hidrogen este cel mai mic deoarece este format dintr-un singur proton.

Localizarea protonilor și neutronilor în nucleu

Protonii și neutronii sunt de obicei reprezentați ca împachetate împreună și distribuiți uniform pe sfere. Cu toate acestea, aceasta este o simplificare a structurii actuale. Fiecare nucleon (proton sau neutron) poate ocupa un anumit nivel de energie și o gamă de locații. În timp ce nucleul poate fi sferic, poate fi, de asemenea, în formă de para, globular sau în formă de disc.

Nucleele de protoni și neutroni sunt barioni, formați din cei mai mici, numiți quarci. Forța de atracție are o rază foarte scurtă, astfel încât protonii și neutronii trebuie să fie foarte aproape unul de celălalt pentru a fi legați. Această atracție puternică învinge repulsia naturală a protonilor încărcați.

Proton, neutron și electron

Un impuls puternic în dezvoltarea unei astfel de științe ca fizica nucleara, a fost descoperirea neutronului (1932). Ar trebui să fii recunoscător pentru asta fizica engleza care a fost elev al lui Rutherford. Ce este un neutron? Aceasta este o particulă instabilă, care în stare liberă în doar 15 minute este capabilă să se descompună într-un proton, un electron și un neutrin, așa-numita particulă neutră fără masă.

Particula și-a primit numele datorită faptului că nu are sarcină electrică, este neutră. Neutronii sunt extrem de densi. Într-o stare izolată, un neutron va avea o masă de numai 1,67·10 - 27, iar dacă luați o linguriță plină dens cu neutroni, atunci bucata de materie rezultată va cântări milioane de tone.

Numărul de protoni din nucleul unui element se numește număr atomic. Acest număr conferă fiecărui element propria identitate unică. În atomii unor elemente, cum ar fi carbonul, numărul de protoni din nuclee este întotdeauna același, dar numărul de neutroni poate varia. Un atom al unui element dat cu un anumit număr de neutroni în nucleu se numește izotop.

Sunt neutronii unici periculoși?

Ce este un neutron? Aceasta este o particulă care, împreună cu protonul, este inclusă în Cu toate acestea, uneori pot exista singure. Când neutronii se află în afara nucleelor ​​atomilor, aceștia dobândesc un potențial proprietăți periculoase. Când se mișcă cu viteză mare, produc radiații letale. Cunoscute pentru capacitatea lor de a ucide oameni și animale, așa-numitele bombe cu neutroni au un impact minim asupra structurilor fizice nevii.

Neutronii sunt foarte parte importantă atom. densitate mare aceste particule, combinate cu viteza lor, le oferă un extraordinar forță distructivă si energie. În consecință, ele pot altera sau chiar rupe nucleele atomilor care lovesc. Deși neutronul are o sarcină electrică neutră netă, este alcătuit din componente încărcate care se anulează reciproc în ceea ce privește sarcina.

Neutronul dintr-un atom este o particulă minusculă. La fel ca protonii, ei sunt prea mici pentru a fi văzuți chiar și cu microscop electronic dar sunt acolo pentru că este singura cale explicând comportamentul atomilor. Neutronii sunt foarte importanți pentru stabilitatea atomului, dar în afara acestuia centru atomic nu pot exista mult timp și se degradează în medie în doar 885 de secunde (aproximativ 15 minute).

Un atom este cea mai mică particulă a unui element chimic care își păstrează toate proprietățile chimice. Un atom este format dintr-un nucleu încărcat pozitiv și electroni încărcați negativ. Sarcina nucleară a oricărui element chimic este egal cu produsul Z la e, unde Z este numărul de serie al unui element dat din sistemul periodic de elemente chimice, e este valoarea sarcinii electrice elementare.

Electron- Acest cea mai mică particulă substanțe cu sarcină electrică negativă e=1,6·10 -19 coulombi, luate ca sarcină electrică elementară. Electronii, care se rotesc în jurul nucleului, sunt localizați pe învelișurile de electroni K, L, M etc. K este învelișul cel mai apropiat de nucleu. Mărimea unui atom este determinată de mărimea învelișului său de electroni. Un atom poate pierde electroni și deveni ion pozitiv sau câștigă electroni și devin ion negativ. Sarcina unui ion determină numărul de electroni pierduți sau câștigați. Procesul de transformare a unui atom neutru într-un ion încărcat se numește ionizare.

nucleul atomic (Partea centrală atom) este format din elementare particule nucleare- protoni și neutroni. Raza nucleului este de aproximativ o sută de mii de ori mai mică decât raza atom. Densitatea nucleului atomic este extrem de mare. Protoni- Acestea sunt particule elementare stabile, având o sarcină electrică pozitivă unitară și o masă de 1836 de ori mai mare decât masa unui electron. Protonul este nucleul celui mai ușor element, hidrogenul. Numărul de protoni din nucleu este Z. Neutroni este o particulă elementară neutră (fără sarcină electrică) cu o masă foarte apropiată de masa unui proton. Deoarece masa nucleului este suma masei protonilor și neutronilor, numărul de neutroni din nucleul unui atom este A - Z, unde A este numărul de masă al unui izotop dat (vezi). Protonul și neutronul care formează nucleul se numesc nucleoni. În nucleu, nucleonii sunt legați de forțe nucleare speciale.

Nucleul atomic conține o cantitate imensă de energie, care este eliberată atunci când reactii nucleare. Reacțiile nucleare apar atunci când nucleele atomice interacționează cu particulele elementare sau cu nucleele altor elemente. Ca rezultat al reacțiilor nucleare, se formează noi nuclei. De exemplu, un neutron se poate transforma într-un proton. În acest caz, o particulă beta, adică un electron, este ejectată din nucleu.

Tranziția în nucleul unui proton într-un neutron poate fi efectuată în două moduri: fie o particulă cu o masă este emisă din nucleu, egal cu masa electron, dar sarcină pozitivă, numit pozitron (dezintegrare a pozitronilor), sau nucleul captează unul dintre electronii din învelișul K cel mai apropiat de acesta (captura K).

Uneori, nucleul format are un exces de energie (este în stare excitată) și, transformându-se în stare normală, eliberează excesul de energie sub formă radiatie electromagnetica cu lungime de undă foarte scurtă. Energia eliberată în reacțiile nucleare este practic utilizată în diverse industrii industrie.

Un atom (greacă atomos - indivizibil) este cea mai mică particulă a unui element chimic care are proprietățile sale chimice. Fiecare element este format din atomi un anumit fel. Structura unui atom include nucleul care poartă o sarcină electrică pozitivă și electroni încărcați negativ (vezi), formând învelișurile sale electronice. Valoarea sarcinii electrice a nucleului este egală cu Z-e, unde e este sarcina electrică elementară, egală ca mărime cu sarcina electronului (4,8 10 -10 unități e.-st.), iar Z este numărul atomic a acestui element în sistemul periodic al elementelor chimice (vezi .). Deoarece un atom neionizat este neutru, numărul de electroni incluși în el este, de asemenea, egal cu Z. Compoziția nucleului (vezi. Nucleul atomic) include nucleoni, particule elementare cu o masă de aproximativ 1840 de ori masa mai mare electroni (egal cu 9,1 10 -28 g), protoni (vezi), încărcați pozitiv și neutroni fără sarcină (vezi). Numărul de nucleoni din nucleu se numește număr de masă și este notat cu litera A. Numărul de protoni din nucleu, egal cu Z, determină numărul de electroni care intră în atom, structura învelișuri de electroniși proprietățile chimice ale atomului. Numărul de neutroni din nucleu este A-Z. Izotopii sunt numiți varietăți ale aceluiași element, ale căror atomi diferă între ei ca număr de masă A, dar au același Z. Astfel, în nucleele atomilor diferiților izotopi ai unui element există număr diferit neutroni la acelasi numar protoni. La desemnarea izotopilor, numărul de masă A este scris în partea de sus a simbolului elementului, iar numărul atomic în partea de jos; de exemplu, izotopii oxigenului sunt notați:

Dimensiunile unui atom sunt determinate de dimensiunile învelișurilor de electroni și pentru tot Z sunt de aproximativ 10 -8 cm. Deoarece masa tuturor electronilor atomului este de câteva mii de ori mai mică decât masa nucleului, masa de atomul este proporțional cu numar de masa. Masa relativă un atom al unui izotop dat se determină în raport cu masa unui atom al izotopului de carbon C 12, luată ca 12 unități, și se numește masă izotopică. Se dovedește a fi aproape de numărul de masă al izotopului corespunzător. Greutatea relativă a unui atom al unui element chimic este valoarea medie (ținând cont de abundența relativă a izotopilor unui element dat) a greutății izotopice și se numește greutatea atomică (masă).

Un atom este un sistem microscopic, iar structura și proprietățile lui pot fi explicate doar cu ajutorul teoriei cuantice, creată în principal în anii 20 ai secolului XX și menită să descrie fenomene la scară atomică. Experimentele au arătat că microparticulele - electroni, protoni, atomi etc. - pe lângă cele corpusculare, au proprietăți de undă care se manifestă prin difracție și interferență. În teoria cuantică, un anumit câmp de undă caracterizat printr-o funcție de undă (funcția Ψ) este folosit pentru a descrie starea micro-obiectelor. Această funcție determină probabilitățile stărilor posibile ale unui micro-obiect, adică caracterizează posibilitățile potențiale de manifestare a uneia sau alteia dintre proprietățile sale. Legea de variație a funcției Ψ în spațiu și timp (ecuația Schrödinger), care face posibilă găsirea acestei funcții, joacă același rol în teoria cuantică ca și în mecanica clasica Legile mișcării lui Newton. Rezolvarea ecuației Schrödinger duce în multe cazuri la discret stări posibile sisteme. Deci, de exemplu, în cazul unui atom, seria funcții de undă pentru electroni care corespund unor valori diferite (cuantificate) de energie. Sistemul nivelurilor de energie ale atomului, calculat prin metodele teoriei cuantice, a primit o confirmare strălucitoare în spectroscopie. Tranziția unui atom din starea fundamentală corespunzătoare celei mai mici nivel de energie E 0 , în oricare dintre stările excitate E i apare atunci când o anumită parte a energiei E i - E 0 este absorbită. Un atom excitat intră într-o stare mai puțin excitată sau fundamentală, de obicei cu emisia unui foton. În acest caz, energia fotonului hv este egală cu diferența dintre energiile unui atom în două stări: hv= E i - E k unde h este constanta lui Planck (6,62·10 -27 erg·sec), v este frecvența de lumina.

Pe lângă spectrele atomice, teoria cuantica a permis să explice alte proprietăți ale atomilor. În special, valența, natura legătură chimicăși structura moleculelor, a fost creată o teorie sistem periodic elemente.