Заряд ядра атома чему равен

Основными характеристиками атомных ядер являются электрический заряд, масса, спин, энергия связи и так далее.

Ядро каждого из атомов обладает положительным зарядом. В качестве носителя положительного заряда выступает протон. По той причине, что заряд протона численно эквивалентен заряду электрона e , можно записать, что заряд ядра элемента равен + Z e ( Z выражает собой целое число, которое указывает на порядковый номер химического элемента в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева). Значение Z также характеризует число протонов, входящих в состав ядра и количество электронов в атоме. Именно из-за этого его определяют как атомный номер ядра. Электрический заряд представляет собой одну из основных характеристик атомного ядра, от которой зависят оптические, химические и иные свойства атомов.

Масса ядра

Существует также другая значимая характеристика ядра, а именно масса. Массу атомов и ядер принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.), в качестве атомной единицы массы выступает 1 12 массы нуклида углерода C 6 12 :

где N A = 6 , 022 · 10 23 м о л ь — 1 обозначает число Авогадро.

Кроме того, есть другой способ выражения атомной массы: исходя из соотношения Эйнштейна E = m c 2 , ее выражают в единицах энергии. По той причине, что масса протона m p = 1 . 00728 а . е . м . = 938 , 28 М э В , масса нейтрона m n = 1 . 00866 а . е . м . = 939 , 57 М э В , а масса электрона m e = 5 , 49 ⋅ 10 — 4 а . е . м . = 0 , 511 М э В ,

Из приведенных выше значений видно, что масса электрона несущественно мала, если сравнивать ее с массой ядра, поэтому масса ядра практически эквивалентна массе всего атома и отлична от целых чисел.

Энергия связи. Дефект масс ядер

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Заряд ядра атома

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

(№ элемента = p = Z = ē)

Число нейтронов = массовое число – порядковый номер

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

  • Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
  • На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
  • Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
  • Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
  • Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Структура ядра

Схематическое изображение ядра углерода-12

Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ. Рис. 4. Схематическое изображение ядра углерода-12, состоящего из 6 протонов и 6 нейтронов, взаимодействующих посредством обмена мезонами. Иллюстрация: БРЭ. Расстояния в ядерной физике принято измерять в ферми (Фм; 1 Фм = 10 –15 м, т. е. совпадает по величине с фемтометром). Атомное ядро представляет собой систему плотно упакованных нуклонов, среднее расстояние между которыми (1,5–2,0 Фм) сравнимо с размером нуклона. Нуклоны в ядре удерживаются мощными и короткодействующими ядерными силами притяжения, возникающими вследствие сильного взаимодействия между кварками и глюонами , из которых состоят нуклоны. Нуклон-нуклонное взаимодействие внутри атомного ядра реализуется путём обмена мезонами , прежде всего π-мезонами (рис. 4), которые, как и нуклоны, являются адронами , т. е. состоят из кварков и глюонов. Последовательное описание такого взаимодействия возможно лишь в рамках квантовой хромодинамики . Решение этой важнейшей проблемы ядерной физики до сих пор актуально.

Возможные формы ядер

Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ. Рис. 5. Возможные формы ядер. Архив БРЭ. Форма атомных ядер может быть различной. Но в любом случае это системы с центром симметрии . Есть ядра, имеющие сферическую форму. Большинство же ядер имеют форму, слегка отличающуюся от сферической. Несферические ядра (их также называют деформированными ядрами ) имеют форму, близкую к аксиально симметричному эллипсоиду, сплюснутому или вытянутому (рис. 5).

Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра

Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ. Рис. 6. Зависимость плотности заряда различных ядер от расстояния до центра ядра. Архив БРЭ. Для ядер с A ≥ 20 A ≥ 20 A ≥ 20 средняя плотность нуклонов меняется мало, т. е. объём ядра пропорционален A , A, A , а его радиус R R R пропорционален A ⅓ , text A^, A ⅓ , т. е. R = r 0 A . R = r_0A. R = r 0 ​ A . Константа r 0 r_0 r 0 ​ лежит в пределах 1,0–1,2 Фм. Плотность заряда и вещества максимальна в центре ядра и спадает к его границе (рис. 6), причём толщина поверхностного слоя, характеризующая этот спад, практически одинакова у различных ядер и составляет около 2,4 Фм. Средняя плотность ядерного вещества – около 10 17 кг/м 3 .

Энергия связи ядра

Энергетической характеристикой атомного ядра является его энергия связи – минимальная энергия, которая необходима для расщепления ядра на свободные нуклоны:

E св = ( Z m p + N m n ) c 2 – M c 2 , E_ = (Zm_p + Nm_n)c^2 – Mc^2, E св ​ = ( Z m p ​ + N m n ​ ) c 2 – M c 2 , где M , M, M , m p , m_p, m p ​ , m n m_n m n ​ – масса ядра, протона и нейтрона соответственно, c c c – скорость света. E св E_ E св ​ ядра тем больше, чем больше A , A, A , а удельная энергия связи (энергия связи, приходящаяся на 1 нуклон) для большинства ядер лежит в интервале энергий 7–9 МэВ (рис. 7). Такая особенность удельной энергии связи атомного ядра объясняется короткодействием ядерных сил: нуклон в ядре, как правило, взаимодействует лишь со своим ближайшим окружением.

Постоянство плотности и удельной энергии связи позволяет рассматривать атомное ядро как каплю заряженной жидкости, что привело к разработке капельной модели ядра . На основе этой модели немецкий физик К. Ф. фон Вайцзеккер в 1935 г. предложил полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра, названную формулой Вайцзеккера :

E св = a 1 A – a 2 A 2 / 3 – a 3 Z ( Z – 1 ) A – 1 / 3 – a 4 ( N – Z ) 2 A – 1 + a 5 A – 3 / 4 , E_ = a_1A – a_2A^ – a_3Z(Z–1)A^ – a_4(N–Z)^2A^ + a_5A^, E св ​ = a 1 ​ A – a 2 ​ A 2/3 – a 3 ​ Z ( Z –1 ) A –1/3 – a 4 ​ ( N – Z ) 2 A –1 + a 5 ​ A –3/4 , где a 1 , a_1, a 1 ​ , a 2 , a_2, a 2 ​ , a 3 , a_3, a 3 ​ , a 4 , a_4, a 4 ​ , a 5 a_5 a 5 ​ – эмпирические коэффициенты, имеющие размерность энергии.

В дальнейшем были обнаружены ядра, у которых наблюдались значительные отклонения от формулы Вайцзеккера. Это магические ядра , проявляющие наибольшую устойчивость, т. е. имеющие аномально большую энергию связи по сравнению с близкими по составу нуклидами и повышенную распространённость в природе. Их форма близка к сферической, а число нейтронов и/или протонов в них равно 2, 8, 20, 28, 50, 82 и 126. Обнаружение и исследование магических ядер привело к созданию оболочечной модели ядра .

Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа

Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ. Рис. 7. Зависимость удельной энергии связи атомного ядра от массового числа. Архив БРЭ. Атомное ядро – потенциальный источник огромной энергии. Зависимость удельной энергии связи от числа нуклонов (рис. 7) имеет максимум при A ≈ Aapprox A ≈ 50–60, где располагаются наиболее устойчивые ядра. Поэтому существуют два возможных процесса, позволяющих извлечь ядерную энергию : деление тяжёлых ядер и синтез (слияние) лёгких ядер. В обоих процессах удельная энергия связи конечных ядер возрастает и возникающий при этом избыток энергии освобождается. Первый процесс, проходящий при возникновении неуправляемой цепной ядерной реакции деления, может привести к ядерному взрыву , а идущий в контролируемом режиме используется в ядерных реакторах . Второй процесс ( термоядерные реакции ) имеет место в звёздах и был реализован человечеством в термоядерном оружии (водородной бомбе). Предпринимаются попытки создания термоядерного реактора для использования этой самой большой (при расчёте на единицу массы топлива) энергии в мирных целях.

Применение знаний о заряде ядра в ядерной энергетике

Ядерная энергетика основана на использовании энергии, выделяющейся при распаде радиоактивных элементов или в ядерных реакциях. Для расчета и оптимизации работы ядерных реакторов крайне важно знать заряды ядер.

В качестве ядерного топлива используют изотопы урана или плутония с подходящим составом нейтронов и протонов. Замедлитель нейтронов (модератор) также подбирают исходя из заряда его ядер.

Расчет выхода энергии

При делении ядер тяжелых элементов выделяется энергия, зависящая от изменения зарядов и масс исходных ядер и продуктов деления.

Радиоактивность обусловлена нестабильностью изотопов с нечетным числом протонов и нейтронов. Зная вероятности бета-распада таких ядер, можно предотвратить утечку радиации.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий