Заряд ядра атома визначається кількістю. Атомне ядро: заряд ядра

Заряд ядра () визначає місцезнаходження хімічного елементау таблиці Д.І. Менделєєва. Число Z – це кількість протонів в ядрі. Кл - заряд протона, який дорівнює за величиною заряду електрона.

Ще раз наголосимо, що заряд ядра визначає кількість позитивних елементарних зарядів, носіями яких є протони. Оскільки атом є загалом нейтральною системою, то заряд ядра визначає і кількість електронів в атомі. Ми пам'ятаємо, що електрон має негативний елементарний заряд. Електрони в атомі розподіляються за енергетичними оболонками та підболочками залежно від їх кількості, отже, заряд ядра істотно впливає на розподіл електронів за їхніми станами. Від кількості електронів на останньому енергорівні залежать Хімічні властивостіатома. Виходить, заряд ядра визначає хімічні властивості речовини.

Нині прийнято позначати різні хімічні елементи так: , де X - символ хімічного елемента в періодичній таблиці, що відповідає заряду .

Елементи, які мають рівні Z, але різні атомні маси (A) (це означає, що в ядрі однакове числопротонів, але різну кількість нейтронів називають ізотопами. Так, водень має два ізотопи: 1 1 H-водень; 2 1 H-дейтерій; 3 1 H-тритій

Існують стійкі та нестійкі ізотопи.

Ядра, що мають однакові маси, але різними зарядами називаються ізобарами. Ізобари переважно зустрічаються серед важких ядер, причому парами або тріадами. Наприклад, і .

Першим опосередкований вимір заряду ядра зробив Мозлі в 1913 р. Він встановив зв'язок між частотою характеристичного рентгенівського випромінювання() та зарядом ядра (Z):

де C і B постійні не залежать від елемента для серії випромінювання.

Безпосередньо заряд ядра було визначено Чедвіком 1920 р. щодо розсіювання ядер атома гелію на металевих плівках.

склад ядра

Ядро атома водню називається протоном. Маса протона дорівнює:

Ядро складається з протонів та нейтронів (разом їх називають нуклонами). Нейтрон було відкрито 1932 р. Маса нейтрону дуже близька масі протона. Нейтрон електричного зарядуне має.

Суму кількості протонів (Z) та числа нейтронів (N) в ядрі називають масовим числом A:

Оскільки маси нейтрона і протона дуже близькі, кожна їх дорівнює майже атомної одиниці маси. Маса електронів в атомі набагато менша, маси ядра, тому вважають, що масове числоядра приблизно одно відносної атомної масі елемента, якщо округлити його до цілого.

Приклади розв'язання задач

ПРИКЛАД 1

Завдання

Ядра є дуже стійкими системами, отже протони і нейтрони повинні утримуватися всередині ядра якимись силами. Що Ви можете сказати про ці сили?

Рішення

Відразу можна відзначити, що сили, які пов'язують нуклони, не відносяться до гравітаційних, які є надто слабкими. Стійкість ядра не можна пояснити наявністю електромагнітних сил, оскільки між протонами, як частинками, що несуть заряди одного знака, може бути тільки електричне відштовхування. Нейтрони є електрично нейтральними частинками. Між нуклонами діють особливий видсил, що називають ядерними силами. Ці сили майже в 100 разів сильніші за електричні сили. Ядерні сили найпотужніші з усіх відомих сил у природі. Взаємодія частинок у ядрі називають сильним. Наступна особливість ядерних сил - те, що вони є короткодіючими. Ядерні сили стають помітними лише з відстані порядку див, тобто з відривом розміру ядра.

ПРИКЛАД 2

Завдання

На яке мінімальна відстаньможе наблизитися ядро ​​атома гелію, що має кінетичну енергію, що дорівнює при лобовому зіткненні, до нерухомого ядра атома свинцю?

Рішення

Зробимо малюнок. Розглянемо рух ядра атома гелію (-частки) в електростатичному полі, що створює нерухоме ядро ​​атома свинцю. - частка рухається до ядра атома свинцю з швидкістю, що зменшується до нуля, так як між однойменно зарядженими частинками діють сили відштовхування. Кінетична енергія, яку мала - частка, перейде в потенційну енергію взаємодії - частки та поля (), що створює ядро ​​атома свинцю: Потенційну енергію частки в електростатичному полі висловимо як: де – заряд ядра атома гелію; - Напруженість електростатичного полящо створює ядро ​​атома свинцю. З (2.1) - (2.3) отримуємо:

Інструкція

У таблиці Д.І.Менделєєва, як у багатоповерховому багатоквартирному будинкухімічні елементи, кожен з яких займає свою власну квартиру. Отже, кожен із елементів має певний порядковий номер, зазначений у таблиці. Нумерація хімічних елементів починається ліворуч, причому зверху. У таблиці горизонтальні ряди називаються періодами, а вертикальні стовпці – групами. Це важливо, тому що за номером групи або періоду можна також дати характеристику деяким параметрам атома.

Атом є хімічно неподільною, але при цьому складається з дрібніших. складових частин, До яких можна віднести (позитивно заряджені частинки), (заряджені негативно) (нейтральні частинки). Основна маса атомав ядрі (за рахунок протонів та нейтронів), навколо якого обертаються електрони. В цілому атом електронейтральний, тобто в ньому кількість позитивних зарядівзбігається з кількістю негативних, отже, кількість протонів і однакова. Позитивний заряд ядра атомамає місце як раз за рахунок протонів.

Приклад №1. Визначити заряд ядра атомавуглецю (С). Починаємо аналізувати хімічний елемент вуглець, орієнтуючись на таблицю Д. І. Менделєєва. Вуглець знаходиться у «квартирі» № 6. Отже, він ядра+6 за рахунок 6 протонів (позитивно заряджених частинок), що розташовуються в ядрі. Враховуючи, що атом є електронейтральним, значить, електронів теж буде 6.

Приклад №2. Визначити заряд ядра атомаалюмінію (Al). Алюміній має порядковий номер - №13. Отже, заряд ядра атомаалюмінію +13 (за рахунок 13 протонів). Електронів також буде 13.

Приклад №3. Визначити заряд ядра атомасрібла (Ag). Срібло має порядковий номер - №47. Значить, заряд ядра атомасрібла + 47 (за рахунок 47 протонів). Електронів також 47.

Зверніть увагу

У таблиці Д.І.Менделєєва в одній клітині для кожного хімічного елемента вказано два числові значення. Не плутайте порядковий номер та відносну атомну масу елемента

Атом хімічного елемента складається з ядраі електронної оболонки. Ядро - це центральна частина атома, у якому зосереджена майже його маса. На відміну від електронної оболонки, ядро ​​має позитивний заряд.

Вам знадобиться

• Атомний номер хімічного елемента, закон Мозлі

Інструкція

Таким чином, заряд ядрадорівнює кількості протонів. У свою чергу, кількість протонів в ядрі дорівнює атомному номеру. Наприклад, атомний номер водню - 1, тобто ядро ​​водню складається з одного протона. заряд+1. Атомний номер натрію – 11, зарядйого ядрадорівнює +11.

При альфа-розпаді ядрайого атомний номер зменшується на два за рахунок випромінювання альфа-частинки ( ядраатома). Таким чином, кількість протонів в ядрі, що зазнало альфа-розпаду, також зменшується на два.
Бета-розпад може відбуватися у трьох різних . У разі розпаду «бета-мінус» нейтрон перетворюється на при випромінюванні та антинейтрино. Тоді заряд ядрана одиницю.
У разі розпаду «бета-плюс» протон перетворюється на нейтрон, позитрон і нйтрино, заряд ядразменшується на одиницю.
У разі електронного захоплення заряд ядратакож зменшується на одиницю.

Заряд ядраможна також визначити за частотою спектральних ліній характеристичного випромінюванняатома. Відповідно до закону Мозлі: sqrt(v/R) = (Z-S)/n, де v - спектральна характеристика випромінювання, R - постійна Рідберга, S - постійна екранування, n - головне квантове число.
Отже, Z = n*sqrt(v/r)+s.

Відео на тему

Джерела:

• як змінюється заряд ядра

Атом - найдрібніша частка кожного елемента, яка несе його хімічні властивості. Як існування, і будова атома було предметом міркувань і вивчань з давніх часів. Було встановлено, що будова атомів схожа на будову Сонячної системи: у центрі ядро, що займає дуже мало місця, але зосередив у собі майже всю масу; навколо нього обертаються «планети» - електрони, що несуть негативні заряди. А як можна знайти заряд ядраатома?

Інструкція

Будь-який атом електрично нейтральний. Але, оскільки несуть негативні заряди, вони мають бути врівноважені протилежними зарядами. Так і є. Позитивні зарядинесуть частки під назвою "протони", розташовані в ядрі атома. Протон набагато масивніший за електрон: він важить стільки ж, скільки 1836 електронів!

Найпростіший випадок – атом водню першого елемента Періодичної таблиці. Подивившись у таблицю, ви переконаєтеся, що він під першим номером, яке ядро ​​складається з єдиного протона, навколо якого обертається єдиний . З цього виходить що ядраатома водню дорівнює +1.

Ядра інших елементів складаються вже не тільки з протонів, але і з так званих нейтронів. Як ви легко можете із самої назви, взагалі не несуть жодного заряду – ні негативного, ні позитивного. Тому запам'ятайте: скільки б нейтронів не входило до складу атомного. ядра, вони впливають лише з його масу, але з заряд.

Отже, величина позитивного заряду ядраатома залежить лише від цього, скільки протонів у ньому міститься. Але оскільки, як уже вказувалося, атом електрично нейтральний, у його ядрі має міститися стільки ж протонів, що обертається навколо ядра. Кількість протонів визначається порядковим номером елемента в Таблиці Менделєєва.

Розгляньте кілька елементів. Наприклад, відомий та життєво необхідний кисеньзнаходиться в «осередку» під номером 8. Отже, у його ядрі містяться 8 протонів, і заряд ядрабуде +8. Залізо займає «комірку» з номером 26 і, відповідно, має заряд ядра+26. А метал - , з порядковим номером 79 - матиме такий самий заряд ядра(79), зі знаком +. Відповідно, в атомі кисню міститься 8 електронів, в атомі – 26, а атомі золота – 79.

Відео на тему

У звичайних умовах атом електрично нейтральний. При цьому ядро ​​атома, що складається з протонів та нейтронів, позитивно, а електрони несуть негативний заряд. При надлишку або нестачі електронів атом перетворюється на іон.

Інструкція

Хімічні сполукиможуть мати молекулярну чи іонну природу. Молекули також електрично нейтральні, а іони несуть у собі певний заряд. Так, молекула аміаку NH3 нейтральна, а ось іон амонію NH4+ заряджений позитивно. Зв'язки в молекулі аміаку, утворені за обмінним типом. Четвертий атом водню приєднується за донорно-акцепторним механізмом, це теж ковалентний зв'язок. Амоній утворюється при взаємодії аміаку із розчинами кислот.

Важливо розуміти, що заряд ядра елемента залежить від хімічних перетворень. Скільки електронів не додай і не забирай, заряд ядра залишиться тим самим. Наприклад, атом O, аніон O- і катіон O+ характеризуються одним і тим же зарядом ядра +8. При цьому атом має 8 електронів, аніон 9, катіон – 7. Саме ядро ​​можна змінити лише шляхом ядерних перетворень.

Найчастіший вид ядерних реакцій- радіоактивний розпад, який може протікати в природного середовища. Атомна маса елементів, що зазнають такого розпаду, укладена в квадратні дужки. Це означає, що масове число мінливе, змінюється протягом часу.

У періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва срібло має порядковий номер 47 та позначення «Ag» (argentum). Назва цього металу, ймовірно, походить від латинського «argos», що означає «білий», «блискучий».

Інструкція

Срібло було відоме людству ще в IV тисячолітті до нашої ери. В Стародавньому Єгиптійого називали навіть "білим золотом". Цей метал зустрічається у природі як у самородному вигляді, так і у вигляді сполук, наприклад, сульфідів. Срібні самородки мають велику вагу і часто містять домішки золота, ртуті, міді, платини, сурми та вісмуту.

Хімічні властивості срібла.

Срібло відноситься до групи перехідних металів і має всі властивості металів. Проте активність срібла невелика - в електрохімічному ряді напруг металів воно знаходиться правіше водню, майже на самому кінці. У з'єднаннях срібло найчастіше виявляє ступінь окиснення +1.

За звичайних умов срібло не реагує з киснем, воднем, азотом, вуглецем, кремнієм, але взаємодіє із сіркою, утворюючи сульфід срібла: 2Ag+S=Ag2S. При нагріванні срібло взаємодіє із галогенами: 2Ag+Cl2=2AgCl↓.

Розчинний нітрат срібла AgNO3 використовується для якісного визначення галогенід-іонів у розчині – (Cl-), (Br-), (I-): (Ag+)+(Hal-)=AgHal↓. Наприклад, при взаємодії з аніонами хлору срібло дає нерозчинний білий осад AgCl↓.

Чому срібні вироби темніють на повітрі?

Причина поступового виробів із срібла пояснюється тим, що срібло реагує із сірководнем, що міститься в повітрі. Внаслідок цього на поверхні металу утворюється плівка Ag2S: 4Ag+2H2S+O2=2Ag2S+2H2O.

З планетарної моделібудови атомів нам відомо, що атом є ядром, і хмара електронів, що обертається навколо нього. Причому відстань між електронами та ядром у десятки та сотні тисяч разів більша, ніж розмір самого ядра.

Що ж є саме ядро? Це маленька тверда неподільна кулька або вона складається з дрібніших частинок? Жоден мікроскоп, що існує у світі, не в змозі наочно показати нам, що відбувається на такому рівні. Там усе надто маленьке. Тоді як бути? Чи можна взагалі вивчити фізику атомного ядра? Як дізнатися склад та характеристики атомного ядра, якщо досліджувати його немає можливості?

Заряд ядра атома

Найрізноманітнішими непрямими дослідами, висловлюючи гіпотези і перевіряючи їх практично, шляхом спроб і помилок, ученим вдалося досліджувати будову атомного ядра. Виявилося, що ядро ​​складається з ще дрібніших частинок. Від кількості цих частинок залежить розмір ядра, його заряд та хімічні властивості речовини. Причому ці частинки мають позитивний заряд, що і компенсує негативний заряд електронів атома. Частинки ці назвали протонами. Їх кількість у нормальному стані завжди дорівнює кількості електронів. Питання, як визначити заряд ядра, більше не стояло.Заряд ядра атома в нейтральному стані завжди дорівнює числу електронів, що обертаються навколо нього, і протилежний по знаку заряду електронів. А визначати кількість та заряд електронів фізики вже навчилися.

Будова атомного ядра: протони та нейтрони

Проте у подальших досліджень виникла нова проблема. Виявилося, що протони, маючи однаковий заряд, у деяких випадках удвічі розрізняються за масою. Це викликало безліч запитань і не стиковок. Зрештою, вдалося встановити, що до складу атомного ядра, крім протонів входять ще деякі частинки, майже рівні протонам по масі, але які мають ніяким зарядом. Частинки ці назвали нейтронами. Виявлення нейтронів дозволило все не стикування в розрахунках. У результаті протони і нейтрони як складові елементи ядра отримали назву нуклонів. Розрахунок будь-яких значень, що стосуються характеристик ядра, став значно простішим. В утворенні заряду ядра нейтрони участі не беруть, тому їх вплив на хімічні властивості речовини практично не проявляється, проте нейтрони беруть участь в утворенні маси ядер, відповідно, впливають на гравітаційні властивості ядра атома. Таким чином, є певний непрямий вплив нейтронів на властивості речовини, але воно вкрай незначне.

Бєлкін І.К. Заряд атомного ядра та періодична система елементів Менделєєва // Квант. – 1984. – № 3. – С. 31-32.

За спеціальною домовленістю з редколегією та редакцією журналу "Квант"

Сучасні уявлення про будову атома виникли у 1911 – 1913 роках, після знаменитих дослідів Резерфорда щодо розсіяння альфа-частинок. У цих дослідах було показано, що α -частки (їх заряд позитивний), потрапляючи на тонку металеву фольгу, іноді відхиляються великі кути і навіть відкидаються назад. Це можна було пояснити тільки тим, що позитивний заряд в атомі сконцентрований у малому обсязі. Якщо уявити його у вигляді кульки, то, як встановив Резерфорд, радіус цієї кульки повинен дорівнювати приблизно 10 -14 -10 -15 м, що в десятки і сотні тисяч разів менше розміріватома загалом (~10 -10 м). Тільки поблизу такого малого за розмірами позитивного заряду може існувати електричне поле, здатне відкинути α -частку, що мчить зі швидкістю близько 20 000 км/с. Цю частину атома Резерфорд назвав атомним ядром.

Так виникла ідея, що атом будь-якої речовини складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, існування яких в атомах було встановлено раніше. Очевидно, що оскільки атом в цілому електрично нейтральний, заряд ядра повинен бути чисельно дорівнює заряду всіх електронів, що є в атомі. Якщо позначити модуль заряду електрона буквою е(елементарний заряд), то заряд qя ядра повинен дорівнювати qя = Ze, де Z- ціле число, що дорівнює кількості електронів в атомі. Але чому одно число Z? Чому дорівнює заряд qя ядра?

З дослідів Резерфорда, дозволили встановити розміри ядра, у принципі, можна визначити величину заряду ядра. Адже електричне поле, що відкидає α -частку, залежить як від розмірів, а й від заряду ядра. І Резерфорд справді оцінив заряд ядра. За Резерфордом заряд ядра атома того чи іншого хімічного елемента приблизно дорівнює половині його відносної атомної маси А, помноженої на елементарний заряд е, тобто

\(~Z = \frac(1)(2)A\).

Але, як це не дивно, справжній заряд ядра був встановлений не Резерфордом, а одним із читачів його статей та доповідей - голландським ученим Ван-ден-Бруком (1870-1926). Дивно тому, що Ван-ден-Брук за освітою та професією був не фізиком, а юристом.

Чому Резерфорд, оцінюючи заряди атомних ядер, співвідносив їх із атомними масами? Справа в тому, що коли в 1869 Д. І. Менделєєв створив періодичну системухімічних елементів він розташував елементи в порядку зростання їх відносних атомних мас. І за минулі сорок років усі звикли до того, що найважливіша характеристика хімічного елемента – його відносна атомна масащо саме вона відрізняє один елемент від іншого.

Тим часом саме в цей час, на початку XX століття, із системою елементів виникли труднощі. При дослідженні явища радіоактивності було відкрито низку нових радіоактивних елементів. І для них у системі Менделєєва начебто не було місця. Здавалося, що система Менделєєва вимагала зміни. Цим і був особливо стурбований Ван-ден-Брук. Протягом кількох років їм було запропоновано кілька варіантів розширеної системи елементів, у якій вистачило б місця не тільки для невідкритих ще стабільних елементів (про місця для них «подбав» ще сам Д. І. Менделєєв), але й для радіоактивних елементів теж. Останній варіант Ван-ден-Брук опублікував на початку 1913, у ньому було 120 місць, а уран займав клітку під номером 118.

У тому ж 1913 були опубліковані результати останніх досліджень з розсіювання α -частинок великі кути, проведених співробітниками Резерфорда Гейгером і Марсденом. Аналізуючи ці результати, Ван-ден-Брук зробив найважливіше відкриття. Він встановив, що число Zу формулі qя = Zeне половині відносної маси атома хімічного елемента, яке порядковому номеру. І до того ж порядковому номеру елемента в системі Менделєєва, а не в його, Ван-ден-Брука, 120-місцевій системі. Система Менделєєва, виявляється, не потребувала зміни!

З ідеї Ван-ден-Брука випливає, що кожен атом складається з атомного ядра, заряд якого дорівнює порядковому номеру відповідного елемента в системі Менделєєва, помноженому на елементарний заряд, і електронів, число яких в атомі також дорівнює порядковому номеру елемента. (Атом міді, наприклад, складається з ядра із зарядом, рівним 29 е, і 29 електронів.) Стало ясно, що Д. І. Менделєєв інтуїтивно розташував хімічні елементи у порядку зростання не атомної маси елемента, а заряду його ядра (хоча він про це і не знав). Отже, один хімічний елемент відрізняється від іншого не атомною масою, а зарядом атомного ядра. Заряд ядра атома – ось головна характеристикахімічний елемент. Існують атоми абсолютно різних елементів, але з однаковими атомними масами (вони мають спеціальну назву – ізобари).

Те, що не атомні маси визначають положення елемента в системі, видно з таблиці Менделєєва: у трьох місцях порушено правило зростання атомної маси. Так, відносна атомна маса у нікелю (№ 28) менша, ніж у кобальту (№ 27), у калію (№ 19) вона менша, ніж у аргону (№ 18), у йоду (№ 53) менше, ніж у телуру ( №52).

Припущення про взаємозв'язок заряду атомного ядра і порядкового номера елемента легко пояснювало правила зміщення при радіоактивних перетвореннях, відкриті в тому ж 1913 («Фізика 10», § 103). Насправді, при випромінюванні ядром α -частинки, заряд якої дорівнює двом елементарним зарядам, заряд ядра, отже, та її порядковий номер (тепер зазвичай кажуть - атомний номер) має зменшитися на дві одиниці. При випусканні ж β -Частки, тобто негативно зарядженого електрона, він повинен збільшитися на одну одиницю. Саме в цьому й складаються правила усунення.

Ідея Ван-ден-Брука дуже скоро (буквально того ж року) отримала перше, щоправда непряме, досвідчене підтвердження. Дещо пізніше правильність її була доведена прямими вимірами заряду ядер багатьох елементів. Зрозуміло, що вона відіграла важливу роль у подальший розвитокфізики атома та атомного ядра.

Те, що всі предмети складаються з елементарних частинок, припускали ще вчені Стародавню Грецію. Але ні довести цей факт, ні спростувати на той час не було жодної можливості. Та й про властивості атомів у давнину могли лише здогадуватися, спираючись на власні спостереження за різними речовинами.

Довести, що це речовини складаються з елементарних частинок, вдалося лише 19-му столітті і то опосередковано. У цей час фізики і хіміки у світі намагалися створити єдину теорію елементарних частинок, що описує їх будову і пояснює різні властивості, такі, наприклад, як заряд ядра.

Вивченню молекул, атомів та його будівлі були присвячені праці багатьох учених. Фізика поступово перейшла у вивчення мікросвіту - елементарних частинок, їх взаємодії та властивостей. Вчені стали цікавитись, з чого складається висувати гіпотези і намагатися їх довести, хоча б опосередковано.

В результаті як базова теорія була прийнята планетарна запропонована Ернестом Резерфордом і Нільсом Бором. Відповідно до цієї теорії, заряд ядра будь-якого атома позитивний, тоді як у його орбітам обертаються негативно заряджені електрони, у результаті роблячи атом електрично нейтральним. Згодом ця теорія була багаторазово підтверджена різного родуекспериментами, починаючи з дослідів одного із її співавторів.

Сучасна ядерна фізикавважає теорію Резерфорда-Бора фундаментальною, всі дослідження атомів та його елементів ґрунтуються на ній. З іншого боку, більшість гіпотез, що з'явилися за останні 150 років, практично так і не були підтверджені. Виходить, що ядерна фізика у своїй більшості є теоретичною через надмалі розміри об'єктів, що вивчаються.

Звичайно ж, у сучасному світівизначити заряд ядра алюмінію, наприклад (або будь-якого іншого елемента), набагато простіше, ніж у 19-му столітті і тим більше — у Стародавній Греції. Але роблячи нові відкриття у цій галузі, вчені часом дійдуть дивовижних висновків. Намагаючись знайти вирішення одного завдання, фізика стикається з новими проблемами та парадоксами.

Спочатку теорія Резерфорда говорить про те, що хімічні властивості речовини залежать від того, який заряд ядра його атома і, як наслідок, від числа електронів, що обертаються на його орбітах. Сучасна хімія та фізика повною мірою підтверджують цю версію. Незважаючи на те, що вивчення структури молекул спочатку відштовхувалося від найпростішої моделі- атома водню, заряд ядра якого дорівнює 1, теорія повною мірою поширюється на всі елементи таблиці Менделєєва, включаючи отримані штучним шляхом наприкінці минулого тисячоліття.

Цікаво, що ще задовго до досліджень Резерфорда англійський хімік, лікар з освіти Вільям Проут зауважив, що питома вага різних речовинкратний даним показником водню. Він тоді припустив, що всі інші елементи складаються з водню на якомусь найпростішому рівні. Що, наприклад, частка азоту - це 14 таких мінімальних частинок, кисню - 16 і т. д. Якщо розглядати цю теорію глобально в сучасній інтерпретації, то вона загалом вірна.