Состав ядра атома. Ядро атома
§ 4. Атомное ядро
Вариант 1 Строение атома и атомного ядра, ядерные реакции
Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент , к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров , что более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома. Атомные ядра изучает ядерная физика. Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом. В некоторых редких случаях могут образовываться короткоживущие экзотические атомы , у которых вместо нуклона ядром служат иные частицы. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами. Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами [1] [2] [3]. Рассеяние заряженных частиц может быть объяснено, если предположить такой атом, который состоит из центрального электрического заряда, сосредоточенного в точке и окружённого однородным сферическим распределением противоположного электричества равной величины. Таким образом Резерфорд открыл атомное ядро, с этого момента и ведёт начало ядерная физика, изучающая строение и свойства атомных ядер. После обнаружения стабильных изотопов элементов, ядру самого лёгкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер. В году Лиза Мейтнер предложила [5] первую, протон-электронную, модель строения атомного ядра, согласно которой оно состоит из протонов, электронов и альфа-частиц [6]: Герцберг установили [7] , что ядро атома азота подчиняется статистике Бозе — Эйнштейна , а не статистике Ферми — Дирака , как предсказывала протон-электронная модель [8] [9]: Таким образом, эта модель вступила в противоречие с экспериментальными результатами измерений спинов и магнитных моментов ядер [10]. В году Джеймсом Чедвиком была открыта новая электрически нейтральная частица, названная нейтроном. В том же году Иваненко [11] и, независимо, Гейзенберг выдвинули гипотезу о протон-нейтронной структуре ядра. В дальнейшем, с развитием ядерной физики и её приложений, эта гипотеза была полностью подтверждена [12]. В процессе развития физики выдвигались различные гипотезы строения атомного ядра; тем не менее, каждая из них способна описать лишь ограниченную совокупность ядерных свойств. Некоторые модели могут взаимоисключать друг друга. Можно рассмотреть некоторые ядерно-физические характеристики нуклидов с заданными зарядовыми и массовыми числами. Ядерные свойства изотопов элемента в отличие от химических, могут различаться чрезвычайно резко [1]. Впервые заряды атомных ядер определил Генри Мозли в году. Из чего Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атома, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента, может быть только зарядом атомного ядра, что стало известно под названием закон Мозли [2]. В ядерной физике массу ядер принято измерять в атомных единицах массы а. Для определения массы ядра нужно из массы атома вычесть сумму масс всех электронов более точное значение получится, если учесть ещё и энергию связи электронов с ядром. Кроме того, в ядерной физике часто используется энергетический эквивалент массы. Анализ распада тяжёлых ядер уточнил оценку Резерфорда [сн 3] и связал радиус ядра с массовым числом простым соотношением:. Кроме того, нуклоны участвуют в ядре в орбитальном движении, которое также характеризуется определённым моментом количества движения каждого нуклона. Все механические моменты нуклонов, как спины, так и орбитальные, суммируются алгебраически и составляют спин ядра. Все парные протоны и нейтроны взаимодействуют только так, что их спины взаимно компенсируются, то есть пары всегда взаимодействуют с антипараллельными спинами. Суммарный орбитальный момент пары также всегда равен нулю. В результате ядра, состоящие из чётного числа протонов и чётного числа нейтронов, не имеют механического момента. Отличные от нуля спины существуют только у ядер, имеющих в своём составе непарные нуклоны, спин такого нуклона суммируется с его же орбитальным моментом и имеет какое-либо полуцелое значение: Ядра нечётно-нечётного состава имеют целочисленные спины: Измерения спинов стали возможными благодаря наличию непосредственно связанных с ними магнитных моментов. Из-за относительно большой массы нуклонов магнитные моменты ядер очень малы по сравнению с магнитными моментами электронов , поэтому их измерение гораздо сложнее. Как и спины, магнитные моменты измеряются спектроскопическими методами , наиболее точным является метод ядерного магнитного резонанса. Магнитный момент чётно-чётных пар, как и спин, равен нулю. Магнитные моменты ядер с непарными нуклонами образуются собственными моментами этих нуклонов и моментом, связанным с орбитальным движением непарного протона [10]. Атомные ядра, спин которых больше или равен единице, имеют отличные от нуля квадрупольные моменты, что говорит об их не точно сферической форме. Квадрупольный момент имеет знак плюс, если ядро вытянуто вдоль оси спина веретенообразное тело , и знак минус, если ядро растянуто в плоскости, перпендикулярной оси спина чечевицеобразное тело. Известны ядра с положительными и отрицательными квадрупольными моментами. Отсутствие сферической симметрии у электрического поля , создаваемого ядром с ненулевым квадрупольным моментом, приводит к образованию дополнительных энергетических уровней атомных электронов и появлению в спектрах атомов линий сверхтонкой структуры , расстояния между которыми зависят от квадрупольного момента [2]. Большая энергия связи нуклонов, входящих в ядро, говорит о существовании ядерных сил , поскольку известные гравитационные силы слишком малы, чтобы преодолеть взаимное электростатическое отталкивание протонов в ядре. Связь нуклонов осуществляется чрезвычайно короткоживущими силами, которые возникают вследствие непрерывного обмена частицами, называемыми пи-мезонами , между нуклонами в ядре. Экспериментально было обнаружено, что для всех стабильных ядер масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, взятых по отдельности. Эта разница называется дефектом массы или избытком массы и определяется соотношением:. Согласно принципу эквивалентности массы и энергии дефект массы представляет собой массу, эквивалентную работе , затраченной ядерными силами, чтобы собрать все нуклоны вместе при образовании ядра. Эта величина равна изменению потенциальной энергии нуклонов в результате их объединения в ядро. Другим важным параметром ядра является энергия связи, приходящаяся на один нуклон ядра, которую можно вычислить, разделив энергию связи ядра на число содержащихся в нём нуклонов:. Эта величина представляет собой среднюю энергию, которую нужно затратить, чтобы удалить один нуклон из ядра, или среднее изменение энергии связи ядра, когда свободный протон или нейтрон поглощается в нём. Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. Общая закономерность зависимости энергии связи от массового числа описывается формулой Вайцзеккера в рамках теории капельной модели ядра [1] [2] [13] [14]. В настоящее время оба этих процесса, приводящих к выделению энергии, осуществлены, причём последний лежит в основе современной ядерной энергетики , а первый находится в стадии разработки. Среди изобар с нечётными A, как правило, стабилен лишь один. Таким образом, чётность числа протонов или нейтронов создаёт некоторый запас устойчивости, который приводит к возможности существования нескольких стабильных нуклидов, различающихся соответственно по числу нейтронов для изотопов и по числу протонов для изотонов. Также чётность числа нейтронов в составе тяжёлых ядер определяет их способность делиться под воздействием нейтронов [2]. Они обладают свойствами насыщения, в связи с чем ядерным силам приписывается обменный характер с помощью пи-мезонов. Ядерные силы зависят от спина, не зависят от электрического заряда и не являются центральными силами [2]. В отличие от свободных частиц, для которых энергия может принимать любые значения так называемый непрерывный спектр , связанные частицы то есть частицы, кинетическая энергия которых меньше абсолютного значения потенциальной , согласно квантовой механике , могут находиться в состояниях только с определёнными дискретными значениями энергий, так называемый дискретный спектр. Обычно оно находится в наиболее низком энергетическом состоянии, называемым основным. Если передать ядру энергию, оно перейдёт в возбуждённое состояние. С ростом энергии возбуждения уровни сближаются быстрее у тяжёлых ядер, также плотность уровней зависит от чётности числа нейтронов в ядре. Для ядер с чётными особенно магическими числами нейтронов плотность уровней меньше, чем для ядер с нечётными, при равных энергиях возбуждения первый возбуждённый уровень в ядре с чётным числом нейтронов расположен выше, чем в ядре с нечётным. Во всех возбуждённых состояниях ядро может находиться лишь конечное время, до тех пор, пока возбуждение не будет снято тем или иным путём. Состояния, энергия возбуждения которых меньше энергии связи частицы или группы частиц в данном ядре, называются связанными , в этом случае возбуждение может сниматься лишь гамма-излучением. Состояния с энергией возбуждения, превышающей энергию связи частиц, называются квазистационарными. В этом случае ядро может испустить частицу или гамма-квант [1]. Лишь небольшая часть нуклидов являются стабильными. В большинстве случаев ядерные силы оказываются неспособны обеспечить их постоянную целостность, и ядра рано или поздно распадаются. Это явление получило название радиоактивности. Иногда, однако, для полноты вокруг обозначения элемента указывают все характеризующие ядро его атома числа:. По историческим и иным причинам, некоторые ядра имеют самостоятельные названия. Последние два ядра являются изотопами водорода и поэтому могут входить в состав молекул воды , давая в итоге так называемую тяжёлую воду. Материал из Википедии — свободной энциклопедии. Теория оболочечного строения ядра. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. Ядерная физика и ядерные реакторы. Физика и расчёт реактора. Наукова думка , Cameron, University of New Brunswick. Модели ядер, коллективные и одночастичные явления. Лекции по микроскопической теории атомного ядра. Основы терии атомного ядра. Модели ядер и ядерная спектроскопия. Необычные ядра и атомы. Как возникла модель сфероидальных ядер. Успехи физических наук , , Том Лекции по теории ядра. Проблемы построения микроскопической теории ядра и квантовая хромодинамика, Успехи физических наук, , Том Частицы в физике Список частиц Список барионов Список мезонов. Ядерная физика Атомные ядра Протон. Страницы, использующие волшебные ссылки ISBN. Навигация Персональные инструменты Вы не представились системе Обсуждение Вклад Создать учётную запись Войти. Пространства имён Статья Обсуждение. Просмотры Читать Править Править вики-текст История. Эта страница последний раз была отредактирована 10 июня в Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike ; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия. Свяжитесь с нами Политика конфиденциальности Описание Википедии Отказ от ответственности Разработчики Соглашение о cookie Мобильная версия. Фермионы Кварки u d s c b t.
Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом — нейтральная частица, не несущая заряда. Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот — захватить чужие электроны. Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн! Внешние размеры атома — это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в раз больше диаметра ядра. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Из таблицы видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени например, десять в минус двадцать седьмой степени показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Схематическое изображение такого "эталонного" атома углерода приведено на рис. Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. Линейные размеры атомов очень малы: Это в раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле. Иногда говорят более коротко: Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках — он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода , поэтому обозначение "а. В Международном союзе химиков IUPAC существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно — CIAAW , но не "Комиссия по относительным атомным массам". Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же. Здесь "r" — от английского "relative" — относительный. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела — величина постоянная. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а. Это очень важная величина. Как мы уже говорили, заряд ядра число протонов совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Средневековые алхимики и ученые-химики до начала XIХ века ничего не знали об атомном ядре и, тем более, о протонах и электронах. Но о существовании элементов естествоиспытатели догадывались давно и затратили немало сил для того, чтобы выяснить — что же считать элементом? Очень хорошее и вполне современное! Элемент представляет собой то, на что можно разложить другие тела, но не может быть разложено само ни на что более простое или отличное от самого себя". Эта догадка опиралась на здравый смысл и у большинства химиков не вызывала сомнений, но при ответе на вопрос — что же считать элементом — возникало чисто практическое затруднение. Если какое-либо вещество не разлагается на более простые вещества, то не ясно — является ли оно элементом, или мы просто не умеем его разложить? Например, долгое время воду считали элементом, и только в году англичанин Генри Кавендиш показал, что вода состоит из более простых веществ — водорода и кислорода. Водород, кстати, был открыт Г. Кавендишем, но вместо своего нынешнего названия имел гораздо более длинное: Однажды другой английский исследователь — Джозеф Пристли — в присутствии Кавендиша провел простой, хотя и небезопасный опыт — взорвал смесь водорода с кислородом. Пристли он является первооткрывателем кислорода впоследствии вспоминал об этом, как о "случайном эксперименте для развлечения нескольких философствующих друзей". Ему удалось довольно точно измерить объем взаимодействующих газов объем водорода в этом опыте относился к объему кислорода как 2: Отсюда следовало, что вода — не элемент, а химическое соединение водорода и кислорода. Элемент — это вещество, которое при химическом превращении всегда увеличивает свой вес. Например, при ржавлении куска железа его вес всегда увеличивается. Ржавление — это химическая реакция железа с водой и кислородом воздуха, поэтому в массу ржавого железа включается и масса прореагировавших с ним веществ. Химикам были известны и другие реакции, в которых железо увеличивало вес, но не существовало ни одной реакции, в которой железо разлагалось бы на более легкие продукты. Из этого заключалось, что железо, вероятно, является элементом. FAQ Обратная связь Вопросы и предложения. Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? ЭЛЕМЕНТОМ называется вещество, состоящее из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА. Более практическое определение элементу дал английский физик и химик Роберт Бойль:
Дренажные насосы 220 вольт
Международное право в гражданском кодексе
Развязка пулковское шоссе дунайский проспект схема движения
Расписание автобуса брянск погар
Ходатайство образец не прошедших сб