Строение ядра атома это состоит из двух видов элементарных частиц: протонов и нейтронов, называемых вместе ядерными частицами, или нуклонами. которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия.
Что такое строение ядра атома
Протон и нейтрон имеют массу, близкую к единице (в атомной физике за единицу массы принимается 1/12 массы атома изотопа углерода 6С12). Она называется атомной единицей массы (а. е. м.) и с округлением равняется 1,66•10-24 г (масса электрона равняется 1/1836 а. е. м.).
Протон имеет единичный (элементарный) положительный электрический заряд. Нейтрон электрического заряда не имеет.
Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в периодической системе, иначе называемому атомным номером или зарядовым шелом Z ядра.
Числа нуклонов, т. е. протонов и нейтронов вместе, соответствует атомному весу элемента, округленному до целых единиц, и называется массовым числом А.
Очевидно, число N нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента:
N = А — Z.
Ядро обозначается химическим символом элемента с указанием при нем в форме индексов атомного номера и массового числа по образцу:
zYA,
где Y — символ элемента.
Пример обозначения
Ядро водорода 2H1, гелия 2Не4. лития 3Li7 и т. д.
Соответственно обозначаются и ядерные частицы: протон — 1p1 и нейтрон —0n1. На рис. 1 изображены схематически ядра водорода, гелия, лития, азота и алюминия (на рис. 1, так же как и на последующих, протоны изображаются черными кружками, нейтроны — белыми).
Нуклоны в ядре атома связаны между собой особыми силами взаимного притяжения, которые называются ядерными силами.
Предполагается, что они имеют обменную природу, т. е. возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называются π-мезонами.
Ядерные силы
Ядерные силы это :
- Силы действуют между частицами независимо от того, имеют или не имеют частицы электрический заряд, т. е. как между протонами, между нейтронами, так и между протонами и нейтронами. Это называется зарядовой независимостью ядерных сил;
- Ядерные силы — сильнодействующие; по величине они на несколько порядков больше, чем любые другие известные в природе силы (гравитационные, электрические, магнитные и т. п.) и, в частности, силы электростатического отталкивания, действующие в ядре между протонами;
- Ядерные силы — короткодействующие, они действуют только на чрезвычайно малых расстояниях между частицами порядка размеров самого ядра, т. е. 10-12—10-13 см, при увеличении расстояния они быстро убывают (обратно пропорционально седьмой степени расстояния).
Ядерные силы по величине не зависят от общего числа нуклонов в ядре, в то время как противодействующие им силы отталкивания между протонами прямо пропорциональны их общему числу в ядре.
Поэтому наиболее прочными и устойчивыми являются ядра атомов легких (с невысоким атомным номером) элементов.
Ядра атомов тяжелых (с высоким атомным номером) элементов менее прочны, а ядра атомов последнего ряда периодической системы элементов уже неустойчивы и само-распадаются, т. е. являются радиоактивными.
Более прочными являются ядра с определенным соотношением числа нейтронов и протонов. Для легких ядер это соотношение близко к единице
N/Z ≈ 1,
для тяжелых — оно постепенно увеличивается примерно до 1,6:
N/Z = 1,6.
Отмечается также, что более прочными являются ядра с четными числами протонов и нейтронов (четно-четные ядра), из них наиболее прочными являются ядра с числами протонов или нейтронов: 2, 8, 20, 50, 82 (так называемые магические ядра).
Пример устойчивого ядра
Примером наиболее устойчивого ядра является ядро атома гелия (альфа-частица). Эта частица часто выбрасывается из ядра при радиоактивном распаде , а при ударе о ядро атома какого-либо элемента в определен ных случаях вызывает превращение его в ядро другого элемента.
В соответствии со свойствами ядерных сил предложены капельная и оболочечная модели строения ядер атомов.
Согласно капельной модели (предложена Н. Бором, разработана советским физиком Я. Френкелем) нуклоны в ядре взаимодействуют подобно молекулам в капле жидкости, при чем на поверхностно расположенные нуклоны действуют силы, аналогичные силам поверхностного натяжения жидкости. Это придает ядру необходимую прочность. Эта модель хорошо объясняет механизм ядерных реакций и особенно реакции деления ядра.
Оболочечная модель предусматривает распределение нуклонов в ядре по определенным энергетическим уровням (оболочкам) и связывает устойчивость ядра с условием заполнения этих уровней. Эта модель имеет подтверждение, например, в существовании магических ядер, которые согласно этой модели имеют заполненные энергетические уровни.
Изотопы
Изотопы это элементы, имеющие одинаковый атомный номер, но несколько отличающиеся по массовому числу вследствие различного количества нейтронов в ядре.
Существуют также атомы, ядра которых имеют одинаковый атомный номер, но различаются по массовому числу, т. е. эти ядра содержат одинаковое число протонов, но несколько отличное между собой число нейтронов.
Элементы, имеющие подобные ядра, называются изотопами, что означает «занимающие одно и то же место» (подразумевается в периодической системе элементов).
Строение электронных оболочек у изотопов одинаково, поэтому они имеют тождественные химические свойства. Основные физические свойства изотопов также сходны между собой.
Однако по ряду физических свойств, особенно связанных с массой ядра, они отличаются, что и позволяет осуществить их разделение.
Изотопы химических элементов
Изотопы открыты у подавляющего большинства элементов, причем среди них имеются как устойчивые, так и радиоактивные вещества.
В природных условиях или полученные искусственно в свободном виде или в составе химических соединений изотопы одного и того же элемента встречаются всегда в смеси строго определенного состава.
Это есть закон постоянства изотопного состава.
Обычно один изотоп составляет большую часть элемента, остальные имеются в нем в незначительных, а иногда и ничтожных количествах. Постоянство изотопного состава обусловливает постоянство атомных весов элементов, которые указаны в таблице Менделеева, и получаются как среднее из атомных весов изотопов, взятых в соответствующей пропорции.
Примеры изотопов
Для примера рассмотрим устойчивые изотопы некоторых элементов. Водород имеет три легкий изотопа водорода (протий) Н и тяжелый водород (дейтерий) Д.
Ядра их называются протон 1H1 и дейтрон 1Н2. Получен искусственно, а также встречается в природе в ничтожных количествах третий изотоп — сверхтяжелый водород (тритий) Т.
Ядро его — тритон 1Н3. Он является слабо радиоактивным. Соотношение их в природном газе 1H1 — 99,98%; 1Н2 —0,015%; 1Н3 — 0,005%.
Строение атомов изотопов водорода показано схематически на рис. 2, а.
Дейтерий, соединяясь с кислородом, образует тяжелую воду (Д2О), которая отличается от обыкновенной воды некоторыми физическими свойствами, а также тем, что жизненные процессы, происходящие в ней, замедляются.
Гелий, кроме основного: 2Не4, имеет изотоп 2Не3 (10-5% в природном газе)
Литий — имеет два изотопа с массовыми числами 6 и 7: 3Li6 и 3Li7 (рис. 570, б). Соотношение в природном элементе 7,3 и 92,7%,
Углерод, кроме основного 6С12 (98,9%), имеет устойчивый изотоп 6С13 (1,1%). Изотоп 6С12 является стандартом для атомной единицы массы (а. е. м.).
Азот 7N14 имеет изотоп 7N15, встречающийся в долях процента.
Кислород имеет изотопы 8О16 (99,76%), 8О17 (0,04%) и 8O18 (0,2%).
Статья на тему Строение ядра атома