Ядерная модель атома

Ядерная модель атома это такая модель структуры атомов, в которой весь положительный заряд атома считается сосредоточенным в ядре — области, занимающей весьма малый объем по сравнению со всем объемом атома.

Резерфорд в 1911 г. открыл ядро атома и раз­работал планетарную модель атома, чем положил начало развитию современного учения о строении атома.

В 1919 г. впер­вые осуществил искусственное превращение некоторых стабильных элементов, подвергая их бомбардировке α-частицами.

Ядерная модель атома Первые модели атома

Что такое ядерная модель атома

Изучение строения атома практически началось в 1897—1898 гг., после того как была оконча­тельно установлена природа катодных лучей как потока электро­нов и были определены величина заряда и масса электрона.

Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами при­водил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов.

Но атом в целом электрически нейтрален; следовательно, он должен содержать в себе еще другую составную часть, заряженную поло­жительно, причем ее заряд должен уравновешивать сумму отри­цательных зарядов электронов.

Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследо­вании движения α-частиц в газах и других веществах.

Как уже было указано, α-частицы, выбрасываемые атомами радиоактивных элементов, представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20 тыс. км/сек. Благодаря такой колоссальной скорости α-частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выби­вают из них электроны.

Эрнест Резерфорд
Эрнест Резерфорд (1871 — 1937)

Молекулы, потерявшие электроны, ста­новятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрица­тельно. Таким образом, в воздухе на пути α-частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа.

Эрнест Резерфорд (Ernest Rutherford), один из крупнейших ученых в области радиоактивности и строения атома, родился 30 августа 1871 г. в Нель­соне (Новая Зеландия); был профессо­ром физики в Монреальском универси­тете (Канада), затем с 1907 г. в Манче­стере, а с 1919 г. в Кембридже и Лон­доне.

Открытие радиоактивных лучей

С 1900 г. Резерфорд занимался изу­чением радиоактивных явлений. Он от­крыл три вида лучей, испускаемых ра­диоактивными веществами; предложил (вместе с Содди) теорию радиоактив­ного распада; точно доказал образование гелия при многих радиоактивных процес­сах.

Схема камеры Вильсона
Рис. 3. Схема камеры Вильсона

Способность α-частиц ионизировать, воздух была остроумно использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути отдельных частиц и сфотографиро­вать их.

Метод Вильсона заключается в следующем. Если воздух, на­сыщенный водяными парами, быстро охладить, то пары сгу­щаются в мелкие капельки тумана.

Оказывается, однако, что в совершенно освобожденном от пыли воздухе туман не появ­ляется, несмотря на охлаждение; для образования тумана необходимо присутствие пылинок, вокруг которых и происходит сгущение паров.

Такое же действие, как пылинки, вызывают заря­женные электричеством молекулы газа. Если пропускать α-ча­стицы через камеру с воздухом, пересыщенным водяным паром, то образующиеся на пути α-частиц ионы конденсируют вокруг себя капельки воды и при освещении камеры сбоку путь каждой частицы становится видимым в форме тонкой полоски тумана.
Фотография путей α-частиц
Рис. 4. Фотография путей α-частиц

Применяемая для этих опытов камера Вильсона (схема ее показана на рис. 3) представляет собой цилиндр А со стек­лянной крышкой Б; дном цилиндра служит подвижной поршень В.

При быстром выдвигании поршня находящийся в камере влажный воздух охлаждается вследствие расширения и стано­вится пересыщенным водяными парами.

На рис. 4 показана одна из фотографий путей α-частиц. Рассматривая ее, мы видим, что пути α-частиц прямолинейны. В то же время, как показывает теория, каждая частица на про­тяжении своего пути, который в воздухе может достигать 11 см, должна встречать сотни тысяч атомов.

Если тем не менее путь ее остается прямолинейным, то это можно объяснить только тем, что α-частица проле­тает сквозь атомы.

Исследование параллельных лучей

Более тщательное ис­следование этого явления показало, что при прохож­дении пучка параллельных лучей сквозь слой газа или тонкую металли­ческую пластинку выходящие лучи уже не параллельны, а не­сколько расходятся: происходит, как говорят, рассеяние α-частиц, т. е. отклонение их от своего первоначального пути.

Фотография пути двух α-частиц
Рис. 5. Фотография пути двух α-частиц

Правда, углы отклонения в общем невелики, но всегда имеется небольшое число частиц (примерно одна из восьми тысяч), которые откло­няются очень сильно, некоторые частицы даже отбрасываются назад, как если бы на пути их встретилось что-то твердое, непроницаемое. На некоторых фотогра­фиях эти резкие отклонения α-частиц ясно заметны (рис. 5).

Чем же может быть вызвано внезап­ное изменение в направлении движения α-частицы? Нетрудно понять, что откло­нения вообще вызываются электрическим взаимодействием между α-частицами и заряженными частями атома. Такими ча­стями едва ли могут быть электроны.

Ведь масса электрона почти в 7500 раз меньше массы α-частицы, поэтому, если даже α-частица пролетит очень близко от электрона, то она отклонит его в сторону, но сама мало из­менит направление своего пути.

Остается предположить, что от­клонения вызываются взаимодействием α-частиц с положительно заряженными частями атомов, масса которых, очевидно, является величиной того же порядка, что и масса а-частицы.

Кроме того, необходимо допустить, что эта масса занимает ничтожно малый объем, так как иначе ее заряд не мог бы создать сильное элек­трическое поле и большое отклонение было бы невозможно.

Пути α-частиц внутри атома
Рис. 6. Пути α-частиц внутри атома

Схема строения атома

Исходя из этих соображений, Резерфорд предложил следую­щую схему строения атома. В центре атома находится положи­тельно заряженное ядро, вокруг которого по различным орбитам вращаются электроны.

Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами, вследствие чего электроны остаются на определен­ных расстояниях от ядра.

Так как масса электронов ничтожно мала, то почти вся масса атома сосредоточена в его ядре. Размеры атома и его отдельных частей выражаются приблизительно следующими числами: диаметр атома — величина порядка 10-8см, диаметр электрона 10-13 см и диаметр ядра от 10-14 до 10-12 см.

Отсюда ясно, что на долю ядра и электронов, число ко­торых, как увидим дальше, сравнительно невелико, приходится лишь ничтожная часть всего пространства, занятого атомной си­стемой.

Ядерно планетарная модель атома РезерфордаПредложенная Резерфордом схема строения атома или, как обыкновенно говорят, модель атома, легко объясняет описанные выше явления отклонения α-частиц.

Действительно, размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются ор­битами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому боль­шинство α-частиц пролетает через атомы без заметного отклонения.

Только в тех случаях, когда α-частица очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути.

На рис. 6 показаны пути α-частиц при их пролетарии сквозь атом. Черными кружками обозначены электроны, светлый кру­жок в центре рисунка — ядро атома. Частицы А и В лишь слабо отклоняются при встрече с электронами; частица Б резко откло­няется, встретив положительно заряженное ядро.

Таким образом, изучение рассеяния α-частиц положило на­чало ядерной теории атома. С тех пор эта теория получила столько различных подтверждений, что в настоящее время в ее правильности не приходится сомневаться.

Ядерная модель строения атома это

Атомы состоят из протонов и электронов. Поскольку все вещества обладают массой, естественно предположить, что атомы, из которых они состоят, также обладают массой.

Любой образец вещества занимает определенный объем, поэтому можно предположить, что каждый атом имеет некоторый объем.

Почти вся масса атома сосредоточена в области, которая очень мала по сравнению с его общим объемом. Эта область называется ядром атома. Остальной объем атома занимают электроны.

Ядро атома имеет положительный электрический заряд. Атомы водорода — самые легкие, и ядра этих атомов имеют наименьший положительный заряд.

В ядре каждого атома водорода находится один протон. Заряд ядра атома водорода равен заряду протона (17). Ядра всех других элементов обладают положительными зарядами, которые точно в целое число раз больше заряда протона.

Ядро может иметь заряд 2+, 3+, 4+ и т. д. Каждое ядро содержит определенное число протонов, и заряд ядра определяется их числом.

Все атомы данного элемента обладают одинаковым зарядом ядра. Так, заряд всех ядер атомов водорода равен 1+, гелия 2+, лития 3+ и т. д. Поэтому заряд ядра атома определяет химические свойства элемента.

Нейтральные атомы

Поскольку ядро имеет положительный заряд, оно притягивает электроны (каждый электрон заряжен отрицательно). Если ядро притягивает число электронов, точно равное заряду ядра, то образуется электрически нейтральный атом.

Рассмотрим ядро гелия, содержащее два протона. Когда в состав атома гелия входят также два электрона (заряд 2—), образуется электрически нейтральный атом гелия;

2 протона + 2 электрона = Электрически нейтральный атом

(2+) +(2-) = 0

Нейтральный атом может отдавать или принимать электроны. При этом образуются ионы. Например:

Нейтральные атомы

Как известно, разноименные заряды притягиваются, поэтому трудно оторвать электрон, находящийся в поле положительно заряженного ядра гелия или фтора.

Ученые говорят, что «необходимо совершить работу» или «затратить энергию», чтобы из нейтрального атома образовался положительный ион.

«Работа» и «энергия», которые являются здесь синонимами, указывают на то, что необходимо приложить извне силу, чтобы удалить электрон из атома.

Можно провести аналогию между притяжением ядра и электронов и растянутой резиновой полосой, соединяющей две частицы.

С увеличением растяжения эта полоса в конечном счете разрывается, освобождая две частицы, но для этого надо затратить работу.

Некоторые нейтральные атомы могут принимать электроны, образуя при этом отрицательные ионы. Например, нейтральный атом фтора присоединяет электрон, образуя отрицательный ион F. В этом случае не требуется затрачивать энергию; наоборот, происходит освобождение энергии:

Масса атомов и входящих в его состав частиц

Протоны входят в состав ядра, а электроны окружают ядро. Основная масса атома сосредоточена в ядре. Это значит, что электрон намного легче протона. Это действительно так. В специальных экспериментах были определены веса отдельных электронов и протонов.

Как показали эти эксперименты, масса электрона составляет массы протона.

Следовательно, основная масса атома должна быть сосредоточена в ядре. Однако масса ядра не определяется только числом протонов.

Так, ядро атома гелия имеет два протона, ядро атома водорода — один протон. Однако атом гелия в 4 раза тяжелее, чем атом водорода.

Строение ядра гелия

Ответ на этот вопрос был получен после открытия третьей элементарной частицы — нейтрона. Нейтрон не несет электрического заряда, он является нейтральной частицей.

Его масса почти равна массе протона. Таким образом ядро атома гелия должно состоять из двух нейтронов и двух протонов. В этом случае заряд ядра равен 2+, а его масса в 4 раза больше массы атома водорода.

Каждый атом имеет ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Протоны определяют заряд ядра и составляют часть его массы. Остальную массу ядра составляют нейтроны.

Нейтрон играет важную роль в формировании ядра, проявляя, по-видимому, склонность к притяжению протонов, преобладающему над стремлением протонов к электростатическому отталкиванию.

Таблица заряд и масса основных элементарных частиц

Элементарная частица Заряд (по от ношению к заряду электрона) Масса (по отношению к массе протона)
Электрон 1 —

1/1840

Протон 1 + 1
Нейтрон 0 1

Вокруг ядра находится соответствующее заряду ядра число электронов, так что атом в целом электрически нейтрален. Заряд и масса трех основных элементарных частиц приведены в табл. 1.

Размеры атомов

Для отдельно взятого атома мы не можем ответить на этот вопрос. Можно, разумеется, поставить эксперименты, чтобы выяснить, на каком расстоянии друг от друга расположены атомы.

При сближении атомов между положительно заряженными атомными ядрами возникают силы отталкивания. Электроны двух соседних атомов также отталкиваются друг от друга, хотя они и притягиваются ядрами.

Расстояние между атомами зависит от соотношения сил притяжения и отталкивания, а также от энергии движения атомов в момент сближения. Если принять, что атомы имеют сферическую форму, то их диаметр колеблется от 1 • 10-8 до 5•10-8 см.

Ядра имеют гораздо меньшие размеры. Обычно диаметр ядра составляет 10-13 см, т. е. примерно 1/100000 диаметра атома.

Пример размера атома

Представим, что модель атома соответствует по размерам стадиону на 67 000 мест. Тогда ядро атома будет величиной с булавочную головку. Как мы знаем, атом водорода содержит только один протон. Он будет локализован в центре стадиона.

Единственный электрон, присутствующий в нейтральном атоме, движется в различных направлениях по всему остальному пространству стадиона.

Ядро атома гелия может быть заменено четырьмя булавочными головками, соответствующими двум протонам и двум нейтронам. Тогда два электрона нейтрального атома гелия будут перемещаться по всему остальному пространству огромного стадиона.

Если учесть, что четыре булавочные головки, занимающие ничтожное пространство в центре поля, составляют почти всю массу стадиона, становится понятным, почему строение атома так трудно представить с помощью подобных аналогий.

Порядковый номер

Чем отличаются атомы одного элемента от атомов всех других элементов? Заряд ядра каждого атома водорода равен 1+.

Каждый нейтральный атом водорода имеет один электрон с зарядом 1—, находящийся в относительно большом объеме атома за пределами его ядра.

Каждый атом гелия имеет ядро с зарядом 2+, а каждый нейтральный атом имеет два электрона, которые движутся вокруг ядра.

Атомы лития тяжелее, чем атомы водорода и гелия. Заряд ядра каждого атома лития равен 3+. Чтобы образовался нейтральный атом лития, вокруг ядра должны располагаться три электрона.

Из чего состоят химические элементы

Все химические элементы состоят из атомов, ядра которых содержат определенное число протонов и, следовательно, имеют определенный положительный заряд. Число протонов в ядре называется порядковым (атомным) номером элемента.

Все порядковые номера — целые числа. Так, порядковый номер кислорода 8 означает, что в ядре атома кислорода находится восемь протонов (заряд ядра 8+). Нейтральный атом кислорода должен иметь также восемь электронов (заряд каждого электрона 1—).

Порядковые номера всех элементов указаны в таблице.

Как видно из таблицы, каждый элемент имеет название, символ и порядковый номер. Любой элемент можно определить по какой-либо его характеристике.

Например, гелий можно охарактеризовать по его названию, символу Не или порядковому номеру, равному 2.

В периодической таблице — это мы увидим в дальнейшем — элементы располагаются в порядке увеличения порядкового номера. Цифра, которая указана справа над символом элемента, и есть его порядковый номер.

Массовое число и изотопы

Все атомы элемента имеют один и тот же заряд атома. Обладают ли все атомы элемента одинаковой массой? Почти все атомы водорода действительно обладают одинаковой массой, равной сумме массы протона и массы электрона.

Ядро этих атомов содержит единственный протон. Однако небольшое количество (0,016%) атомов водорода имеет ядра, масса которых примерно вдвое больше массы протона (сравните с ядром гелия).

Объясняем это тем, что каждое из этих ядер состоит из одного нейтрона (заряд 0, масса 1) и одного протона (заряд 1 + . масса 1). Этот вид атомов водорода носит название водород-2, или дейтерий. Два вида атомов водорода (с одним порядковым номером, но с различными массами) называются изотопами.

Чем определяется изотоп

Изотоп определяется, во-первых, символом или названием соответствующего элемента и, во вторых, общим числом протонов и нейтронов в его ядре. Это число называется массовым числом. Разумеется, массовое число всегда целое.

Таким образом, порядковый номер — число протонов в ядре (определяет заряд ядра), массовое число — число протонов и нейтронов в ядре (определяет массу ядра).

Большинство химических элементов представляет собой смесь изотопов. Кислород (порядковый номер 8) имеет три устойчивых изотопа.

Изотоп с массовым числом 16 наиболее распространен. На его долю приходится примерно 99,76% атомов кислорода. Лишь 0,04% атомов кислорода имеют массовое число 17 и примерно 0,20% —массовое число 18.

Ядро атома О16 состоит из восьми протонов и восьми нейтронов — заряд 8+, масса 16. Ядро атома О17 состоит из восьми протонов и девяти нейтронов — заряд 8+, масса 17.

Ядро атома О18 состоит из восьми протонов и десяти нейтронов — заряд 8+ масса 18. В табл. 2 приведены данные о строении атомов некоторых известных изотопов.

Таблица строения атомов изотопов

Названые изотопа Распространенность в природе, % Порядковый номер Атомный вес
Водород -1 99,984 1 1
Водород -2 0,016 1 2
Гелий -3 1,34•10-4 2 3
Гелий -4 100 2 4
Литий-6 7,4 3 6
Литий-7 92,6 3 7
Названые изотопа Ядро Число электронов в нейтральном атоме
состав масса заряд
Водород -1 1p 1 +1 1
Водород -2 1p, 1n 2 +1 1
Гелий -3 2p, 1n 3 +2 2
Гелий -4 2p, 2n 4 +2 2
Литий-6 3p, 3n 6 +3 3
Литий-7 3p, 4n 7 +3 3

р — протон, n — нейтрон.

Заряд ядра и число электронов, притягиваемых ядром, определяют взаимодействие различных атомов друг с другом. Различия в массе вызывают лишь незначительные химические эффекты.

Поскольку изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра и одинаковое число электронов в нейтральном атоме, они вступают в реакции одинаковым образом.

Поэтому мы можем говорить о химических реакциях кислорода, не подчеркивая, какой из трех устойчивых изотопов участвует в этих реакциях. Только очень точные измерения позволяют установить весьма незначительную разницу в их химическом поведении.

Что мы узнали о ядерной модели атома?

Какого размера атом?
Размер атома определяется радиусом его внешней электронной оболочки, диаметр атома — величина порядка 10-8см, диаметр электрона 10-13 см и диаметр ядра от 10-14 до 10-12 см..

Наглядно это можно представить так: если атом увеличить до размеров 20-этажного дома, то ядро атома будет выглядеть как миллиметровая пылинка в центральной комнате этого дома.

Чему равно число электронов в атоме?

Атом – это электронейтральная частица, поэтому число электронов равно числу протонов.

Как устроен атом?

Для начала Атом состоит из ядра: протон+нейтрон и электрон бегающий вокруг центра.

Атом — это наименьшая часть элемента несущая в себе его свойства (заметьте я не сказал: наименьшая частица всего, это именно частица элемента несущая свойства этого элемента).

Что входит в состав атома?

Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Нейтроны были открыты после того, как физиками была разработана планетарная модель атома.

Лишь в 1932 году, проводя серию опытов, Джеймс Чедвик обнаружил частицы, не имеющие никакого заряда.

Вы читаете, статья на тему Ядерная модель атома

Leave a Comment