В состав ядер атомов входят протоны и

Атом — это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z — порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е — величина элементарного электрического заряда.

Электрон — это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К — оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц — протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны — это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента — водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон — это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А — Z, где А — массовое число данного изотопа (см. Периодическая система химических элементов). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны — гамма-излучение. Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos — неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е — элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 —10 эл.-ст. ед.), и Z — атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А—Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 —8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы — электроны, протоны, атомы и т. д.,— кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е, в какое-либо из возбужденных состояний E_i происходит при поглощении определенной порции энергии Е_i — Е. Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E_i— Е_k где h — постоянная Планка (6,62·10 —27 эрг·сек), v — частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро – центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома – атома водорода – состоит из одной элементарной частицы – протона.

Диаметр ядра атома равен примерно 10–13 – 10–12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100–200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.

Протон – элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10–27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10–19 Кл. Кулон – единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).

Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон – это водород, если 26 протонов – это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).

Нейтрон – электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10–27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии – нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой – А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A – Z.

Электрон – элементарная частица, носитель наименьшей массы – 0,91095х10–27г и наименьшего электрического заряда – 1,6021х10–19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.

Позитрон – элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.

Изотопы обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А – массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор – 32, фосфор – 33.

Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.

В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.

Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, изотопы углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели ядра, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д. В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в опытах Дж. Томсона (1907 г.), которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема опытов Резерфорда по обнаружению протонов в продуктах расщепления ядер. К – свинцовый контейнер с радиоактивным источником α-частиц, Ф – металлическая фольга, Э – экран, покрытый сульфидом цинка, М – микроскоп.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом при низком давлении на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц.

Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны. По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10 –19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10 -22 . Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона , по современным измерениям, равна mp = 1,67262·10 -27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной массы атома углерода с массовым числом 12:

Следовательно, mp = 1,007276 · а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2 . Так как 1 эВ = 1,60218·10 -19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ. Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов. После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, то есть при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд. В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон .

Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, то есть области размером R ≈ 10 -13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Дж. Чедвиком заняться поиском такой частицы. Через 12 лет в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

Рисунок 2. Схема установки для обнаружения нейтронов.

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10 -20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Жолио-Кюри Ирен и Фредерик (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ -лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ -квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость.

Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ. Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать.

Действие камеры Вильсона , созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях. Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ -кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100. 150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ -кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ -кванты, а достаточно тяжелые частицы.

Поскольку эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика. Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд. По современным измерениям, масса нейтрона mn = 1,67493·10 -27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона. Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д. Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями.

Протоны и нейтроны принято называть нуклонами. Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (то есть протонов и нейтронов) называют массовым числом A:

Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например,
– водород, – гелий, – кислород, – углерод, – уран. Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами . У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода три изотопа: – обычный водород, – дейтерий и – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3. Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Присутствие изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической таблице Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.