DEFINICIJA

Atom sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra, unutar kojeg se nalaze protoni i neutroni, a elektroni se kreću po orbitama oko njega. Atomsko jezgro nalazi se u centru i u njemu je koncentrisana gotovo sva njegova masa.

Količina naboja na jezgru atoma određuje kemijski element kojem ovaj atom pripada.

Postojanje atomskog jezgra dokazao je 1911. E. Rutherford i opisao u radu pod naslovom “Raspršenje α i β zraka i struktura atoma”. Nakon toga, razni naučnici su iznijeli brojne teorije o strukturi atomskog jezgra (teorija kapi (N. Bohr), teorija ljuske, teorija klastera, optička teorija itd.).

Elektronska struktura atomskog jezgra

Prema modernim konceptima, atomsko jezgro se sastoji od pozitivno nabijenih protona i neutralnih neutrona, koji se zajedno nazivaju nukleoni. Oni se drže u jezgru zbog jakih interakcija.

Broj protona u jezgru naziva se broj naboja (Z). Može se odrediti pomoću periodnog sistema D.I. Mendeljejeva - jednak je serijskom broju hemijskog elementa kojem atom pripada.

Broj neutrona u jezgru naziva se izotopski broj (N). Ukupan broj nukleona u jezgru naziva se maseni broj (M) i jednak je relativnoj atomskoj masi atoma nekog hemijskog elementa, naznačenoj u Periodnom sistemu D. I. Mendeljejeva.

Jezgra sa istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima. Ako jezgro ima isti broj protona, ali različite neutrone - izotope. U slučaju kada su maseni brojevi jednaki, ali je sastav nukleona drugačiji - izobare.

Jezgro atoma može biti u stabilnom (osnovnom) stanju i u pobuđenom stanju.

Razmotrimo strukturu jezgra atoma na primjeru kemijskog elementa kisika. Kiseonik ima serijski broj 8 u periodnom sistemu D.I.Mendeljejeva i relativnu atomsku masu od 16 amu. To znači da jezgro atoma kiseonika ima naboj jednak (+8). Jezgro sadrži 8 protona i 8 neutrona (Z=8, N=8, M=16), a 8 elektrona se kreće u 2 orbite oko jezgra (slika 1).

Rice. 1. Šematski prikaz strukture atoma kiseonika.

Primjeri rješavanja problema

PRIMJER 1

PRIMJER 2

Krajem 19. i početkom 20. stoljeća fizičari su dokazali da je atom složena čestica i da se sastoji od jednostavnijih (elementarnih) čestica. Otkriveno je:

· katodne zrake (engleski fizičar J. J. Thomson, 1897), čije se čestice nazivaju elektroni e - (nose jedan negativni naboj);

· prirodna radioaktivnost elemenata (francuski naučnici - radiohemičari A. Becquerel i M. Sklodowska-Curie, fizičar Pierre Curie, 1896) i postojanje α-čestica (jezgra helijuma 4 He 2 +);

· prisustvo pozitivno naelektrisanog jezgra u centru atoma (engleski fizičar i radiohemičar E. Rutherford, 1911);

· veštačka transformacija jednog elementa u drugi, na primer azota u kiseonik (E. Rutherford, 1919). Od jezgra atoma jednog elementa (azota - u Rutherfordovom eksperimentu), sudarom sa α-česticom nastalo je jezgro atoma drugog elementa (kiseonika) i nova čestica koja nosi jedinični pozitivan naboj i tzv. proton (p+, 1H jezgro)

· prisustvo u jezgru atoma električno neutralnih čestica - neutrona n 0 (engleski fizičar J. Chadwick, 1932). Kao rezultat istraživanja, ustanovljeno je da atom svakog elementa (osim 1H) sadrži protone, neutrone i elektrone, pri čemu su protoni i neutroni koncentrirani u jezgru atoma, a elektroni na njegovoj periferiji (u elektronskoj ljusci) .

Elektroni se obično označavaju na sljedeći način: e − .

Elektroni e su vrlo lagani, gotovo bestežinski, ali imaju negativan električni naboj. To je jednako -1. Električna struja koju svi koristimo je tok elektrona koji trče u žicama.

Neutroni se označavaju na sljedeći način: n 0, a protoni na sljedeći način: p +.

Neutroni i protoni su gotovo identični po masi.

Broj protona u jezgru jednak je broju elektrona u ljusci atoma i odgovara serijskom broju ovog elementa u periodnom sistemu.

Atomsko jezgro

Centralni dio atoma, u kojem je koncentrisana većina njegove mase i čija struktura određuje kemijski element kojem atom pripada.

Atomsko jezgro se sastoji od nukleona - pozitivno nabijenih protona p + i neutralni neutroni n 0, koji su međusobno povezani jakom interakcijom. Atomsko jezgro, koje se smatra klasom čestica sa određenim brojem protona i neutrona, često se naziva nuklidom.

Broj protona u jezgru naziva se njegov broj naboja Z - ovaj broj je jednak atomskom broju elementa kojem atom pripada u periodnom sistemu.

Broj neutrona u jezgru je označen slovom N, a broj protona slovom Z. Ovi brojevi su međusobno povezani jednostavnim omjerom:

Ukupan broj nukleona u jezgru naziva se njegov maseni broj A = N + Z i približno je jednak prosječnoj masi atoma prikazanoj u periodnoj tablici.

Atomska jezgra sa istim brojem protona i različitim brojem neutrona nazivaju se izotopi.

Mnogi elementi imaju jedan prirodni izotop, na primjer, Be, F, Na, Al, P, Mn, Co, I, Au i neki drugi. Ali većina elemenata ima dva ili tri najstabilnija izotopa.

Na primjer:

Atomska jezgra sa istim brojem neutrona, ali različitim brojem protona nazivaju se izotonima.

Atomi različitih elemenata sa istom atomskom masom-A nazivaju se izobare.

Da li je atomsko jezgro deljivo? I ako jeste, od kojih se čestica sastoji? Mnogi fizičari su pokušali da odgovore na ovo pitanje.

Britanski fizičar Ernest Rutherford je 1909. godine zajedno sa njemačkim fizičarem Hansom Geigerom i novozelandskim fizičarem Ernstom Marsdenom izveo svoj čuveni eksperiment rasijanja alfa čestica, koji je rezultirao zaključkom da atom nije nedjeljiva čestica. Sastoji se od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji rotiraju oko njega. Štaviše, uprkos činjenici da je veličina jezgra približno 10.000 puta manja od veličine samog atoma, u njemu je koncentrisano 99,9% mase atoma.

Ali šta je jezgro atoma? Koje su čestice uključene u njegov sastav? Sada znamo da se srž svakog elementa sastoji od protona I neutroni, čije je uobičajeno ime nukleoni. A početkom dvadesetog veka, nakon pojave planetarnog, ili nuklearnog, modela atoma, ovo je bila misterija za mnoge naučnike. Iznesene su različite hipoteze i predloženi su različiti modeli. Ali tačan odgovor na ovo pitanje opet je dao Rutherford.

Otkriće protona

Rutherfordovo iskustvo

Jezgro atoma vodika je atom vodika iz kojeg je uklonjen njegov pojedinačni elektron.

Do 1913. izračunati su masa i naboj jezgra atoma vodonika. Osim toga, postalo je poznato da se masa atoma bilo kojeg kemijskog elementa uvijek dijeli bez ostatka s masom atoma vodika. Ova činjenica navela je Rutherforda na ideju da svako jezgro sadrži jezgre atoma vodika. I to je uspio eksperimentalno dokazati 1919. godine.

U svom eksperimentu, Rutherford je postavio izvor alfa čestica u komoru u kojoj je stvoren vakuum. Debljina folije koja je prekrivala prozor komore bila je takva da alfa čestice nisu mogle pobjeći. Iza prozora komore nalazio se paravan na koji je nanesen premaz od cink sulfida.

Kada je komora počela da se puni azotom, na ekranu su zabeleženi bljeskovi svetlosti. To je značilo da su pod uticajem α-čestica neke nove čestice bile izbačene iz azota, koje su lako prodirale kroz foliju, koja je bila neprobojna za α-čestice. Pokazalo se da nepoznate čestice imaju pozitivan naboj, po veličini jednak naboju elektrona, a njihova masa je jednaka masi jezgra atoma vodika. Rutherford je nazvao ove čestice protona.

Ali ubrzo je postalo jasno da se jezgra atoma sastoje od više od protona. Uostalom, da je to tako, tada bi masa atoma bila jednaka zbroju masa protona u jezgru, a omjer naboja jezgra i mase bio bi konstantna vrijednost. Zapravo, ovo vrijedi samo za najjednostavniji atom vodika. U atomima drugih elemenata sve je drugačije. Na primjer, u jezgri atoma berilijuma, zbir masa protona je 4 jedinice, a masa samog jezgra je 9 jedinica. To znači da u ovom jezgru postoje druge čestice koje imaju masu od 5 jedinica, ali nemaju naboj.

Otkriće neutrona

Godine 1930., njemački fizičar Walter Bothe Bothe i Hans Becker otkrili su tokom eksperimenta da zračenje proizvedeno kada su atomi berilija bombardirani alfa česticama ima ogromnu prodornu moć. 2 godine kasnije, engleski fizičar James Chadwick, učenik Rutherforda, otkrio je da čak ni olovna ploča debljine 20 cm postavljena na putu ovog nepoznatog zračenja ne slabi niti ga pojačava. Pokazalo se da elektromagnetno polje nema nikakav uticaj na emitovane čestice. To je značilo da nisu imali nikakvu optužbu. Tako je otkrivena još jedna čestica koja je bila dio jezgra. Dobila je ime neutron. Ispostavilo se da je masa neutrona jednaka masi protona.

Protonsko-neutronska teorija jezgra

Nakon eksperimentalnog otkrića neutrona, ruski naučnik D. D. Ivanenko i njemački fizičar W. Heisenberg, nezavisno jedan od drugog, predložili su protonsko-neutronsku teoriju jezgra, koja je dala naučnu osnovu za sastav jezgra. Prema ovoj teoriji, jezgro bilo kojeg kemijskog elementa sastoji se od protona i neutrona. Njihov zajednički naziv je nukleoni.

Ukupan broj nukleona u jezgru je označen slovom A. Ako je broj protona u jezgru označen slovom Z, a broj neutrona je slovo N, tada dobijamo izraz:

A=Z+N

Ova jednačina se zove Ivanenko-Heisenbergova jednadžba.

Pošto je naboj jezgra atoma jednak broju protona u njemu, onda Z takođe pozvan broj naplate. Broj naboja, ili atomski broj, poklapa se sa njegovim atomskim brojem u Mendeljejevom periodnom sistemu elemenata.

U prirodi postoje elementi čija su hemijska svojstva apsolutno identična, ali čiji su maseni brojevi različiti. Takvi elementi se nazivaju izotopi. Izotopi imaju isti broj protona i različit broj neutrona.

Na primjer, vodonik ima tri izotopa. Svi imaju serijski broj 1, a broj neutrona u njihovom jezgru je različit. Dakle, najjednostavniji izotop vodonika, protij, ima maseni broj 1, u jezgru se nalazi 1 proton i ni jedan neutron. Ovo je najjednostavniji hemijski element.

Dodajte web lokaciju u oznake

Koncept atoma. Struktura atoma i atomskog jezgra

Atom je najmanja čestica element, očuvanje njegovih karakteristika.

Atomi različitih elemenata razlikuju se jedni od drugih. Pošto postoji preko 100 različitih elemenata, postoji preko 100 različitih vrsta atoma.

Slika 1-2. Dijelovi atoma.

Svaki atom ima jezgro , nalazi u centru atoma. Sadrži pozitivno nabijene čestice - protone i nenabijene čestice - neutrone.

Elektroni, negativno nabijene čestice, kruže oko jezgara (vidi sliku 1-2).

Broj protona u jezgru atoma naziva se atomski broj elementa.

Rice. 1-3. Elektroni smješteni u školjkama oko jezgra.

Atomski brojevi pomažu razlikovati jedan element od drugog. Svaki element ima atomsku težinu. Atomska težina je masa atoma, koja je određena ukupnim brojem protona i neutrona u jezgru. Elektroni praktično ne doprinose ukupnoj masi atoma, masa elektrona je samo 1/1845 mase protona i može se zanemariti.

Elektroni rotiraju u koncentričnim orbitama oko jezgra. Svaka orbita se naziva ljuska. Ove školjke se popunjavaju sljedećim redoslijedom: prvo se puni ljuska K, zatim L, M, N itd. (Pogledajte sliku 1-3). Maksimalan broj elektrona koji može stati u svaku ljusku prikazan je na Sl. 1-4.

Vanjska ljuska se naziva valentna ljuska, a broj elektrona sadržanih u njoj naziva se valentnost. Što je dalje od jezgra valentna ljuska , manje privlačenja svaki valentni elektron doživljava od jezgra. Dakle, potencijal atoma da dobije ili izgubi elektrone se povećava ako valentna ljuska nije popunjena i nalazi se dovoljno daleko od jezgra.

Rice. 1-4 i 1-5. Sastav atoma.

Elektroni valentne ljuske mogu dobiti energiju. Ako ovi elektroni dobiju dovoljno energije od vanjskih sila, mogu napustiti atom i postati slobodni elektroni, krećući se nasumično od atoma do atoma. Materijali koji sadrže veliki broj slobodnih elektrona nazivaju se provodnici.

Rice. 1-6. Valencija bakra.

Na sl. 1-5 upoređuje provodljivosti različitih metala koji se koriste kao provodnici . U tabeli, srebro, bakar i zlato imaju valenciju jedan (vidi sliku 1-6). Međutim, srebro je bolji provodnik jer su njegovi valentni elektroni labavije vezani.

Izolatori, za razliku od provodnika, sprečavaju protok električne energije. Izolatori su stabilni zbog činjenice da se valentni elektroni nekih atoma vežu za druge atome, ispunjavajući njihove valentne ljuske, čime se sprječava stvaranje slobodnih elektrona.

Rice. 1-7. Dielektrična svojstva različitih materijala koji se koriste kao izolatori.

Materijali klasifikovani kao izolatori su upoređeni na Sl. 1-7. Liskun je najbolji izolator jer ima najmanji broj slobodnih elektrona u svojim valentnim ljuskama.

Poluprovodnici zauzimaju srednju poziciju između provodnika i izolatora. Poluprovodnici nisu ni dobri provodnici ni dobri izolatori, ali su važni jer njihova provodljivost može varirati od provodnika do izolatora. Silicijum i germanijum su poluprovodnički materijali.

Za atom koji ima isti broj elektrona i protona kaže se da je električno neutralan. Atom koji dobije jedan ili više elektrona nije električno neutralan. Postaje negativno nabijen i naziva se negativnim jonom. Ako atom izgubi jedan ili više elektrona, postaje pozitivno nabijen i naziva se pozitivnim jonom. Proces dobijanja ili gubljenja elektrona naziva se jonizacija. Ionizacija igra veliku ulogu u protoku električne struje.

Pitanja "Od čega se sastoji materija?", "Koja je priroda materije?" oduvek su zaokupljale čovečanstvo. Od davnina su filozofi i naučnici tražili odgovore na ova pitanja, stvarajući kako realistične tako i potpuno nevjerovatne i fantastične teorije i hipoteze. Međutim, bukvalno prije jednog stoljeća, čovječanstvo je došlo što bliže rješavanju ove misterije, otkrivši atomsku strukturu materije. Ali kakav je sastav jezgra atoma? Od čega se sve sastoji?

Od teorije do stvarnosti

Početkom dvadesetog veka struktura atoma više nije bila samo hipoteza, već apsolutna činjenica. Pokazalo se da je sastav jezgra atoma vrlo složen koncept. Njegov sastav uključuje Ali postavilo se pitanje: uključuje li sastav atoma različite brojeve ovih naboja ili ne?

Planetarni model

U početku se zamišljalo da je atom izgrađen vrlo slično našem Sunčevom sistemu. Međutim, brzo se pokazalo da ova ideja nije u potpunosti istinita. Problem čisto mehaničkog prijenosa astronomske skale slike u područje koje zauzima milioniti dio milimetra izazvao je značajnu i dramatičnu promjenu svojstava i kvaliteta fenomena. Glavna razlika su bili mnogo stroži zakoni i pravila po kojima je atom izgrađen.

Nedostaci planetarnog modela

Prvo, pošto atomi iste vrste i elementa moraju biti potpuno identični po parametrima i svojstvima, onda i orbite elektrona ovih atoma moraju biti iste. Međutim, zakoni kretanja astronomskih tijela nisu mogli dati odgovore na ova pitanja. Druga kontradikcija je da kretanje elektrona u njegovoj orbiti, ako na njega primijenimo dobro proučene fizičke zakone, nužno mora biti praćeno trajnim oslobađanjem energije. Kao rezultat, ovaj proces bi doveo do iscrpljivanja elektrona, koji bi se na kraju raspao i čak pao u jezgro.

Majčina talasna struktura I

Godine 1924. mladi aristokrata Louis de Broglie iznio je ideju koja je revolucionirala razumijevanje naučne zajednice o pitanjima kao što je sastav atomskih jezgara. Ideja je bila da elektron nije samo pokretna lopta koja rotira oko jezgra. Ovo je mutna supstanca koja se kreće prema zakonima koji podsjećaju na širenje valova u svemiru. Vrlo brzo se ova ideja proširila na kretanje bilo kojeg tijela u cjelini, uz objašnjenje da primjećujemo samo jednu stranu samog tog kretanja, ali se druga zapravo ne pojavljuje. Možemo vidjeti širenje valova, a ne primijetiti kretanje čestice, ili obrnuto. U stvari, obje ove strane kretanja uvijek postoje, a rotacija elektrona u orbiti nije samo kretanje samog naboja, već i širenje valova. Ovaj pristup se radikalno razlikuje od prethodno prihvaćenog planetarnog modela.

Elementarna osnova

Jezgro atoma je centar. Elektroni se okreću oko njega. Svojstva jezgra određuju sve ostalo. O takvom konceptu kao što je sastav jezgra atoma potrebno je govoriti od najvažnije točke - od naboja. U sastavu atoma postoje određeni elementi koji nose negativan naboj. Samo jezgro ima pozitivan naboj. Iz ovoga možemo izvući određene zaključke:

1. Jezgro je pozitivno nabijena čestica.
2. Oko jezgre postoji pulsirajuća atmosfera koju stvaraju naelektrisanja.
3. To je jezgro i njegove karakteristike koje određuju broj elektrona u atomu.

Svojstva kernela

Bakar, staklo, gvožđe, drvo imaju iste elektrone. Atom može izgubiti nekoliko elektrona ili čak sve. Ako jezgro ostane pozitivno nabijeno, tada je u stanju privući potrebnu količinu negativno nabijenih čestica iz drugih tijela, što će mu omogućiti da preživi. Ako atom izgubi određeni broj elektrona, tada će pozitivni naboj na jezgri biti veći od ostatka negativnih naboja. U tom slučaju će cijeli atom dobiti višak naboja, a može se nazvati pozitivnim jonom. U nekim slučajevima, atom može privući više elektrona, uzrokujući da postane negativno nabijen. Stoga se može nazvati negativnim jonom.

Koliko teži atom? ?

Masu atoma uglavnom određuje jezgro. Elektroni koji čine atom i atomsko jezgro teže manje od jedne tisućinke ukupne mase. Budući da se masa smatra mjerom energetske rezerve koju supstanca posjeduje, ova činjenica se smatra nevjerovatno važnom kada se proučava takvo pitanje kao što je sastav jezgra atoma.

Radioaktivnost

Najteža pitanja su se pojavila nakon otkrića da radioaktivni elementi emituju alfa, beta i gama talase. Ali takvo zračenje mora imati izvor. Rutherford je 1902. godine pokazao da je takav izvor sam atom, tačnije, jezgro. S druge strane, radioaktivnost nije samo emisija zraka, već i transformacija jednog elementa u drugi, s potpuno novim kemijskim i fizičkim svojstvima. To jest, radioaktivnost je promjena u jezgru.

Šta znamo o nuklearnoj strukturi?

Prije skoro sto godina, fizičar Prout je iznio ideju da elementi u periodnom sistemu nisu nekoherentni oblici, već kombinacije. Stoga bi se moglo očekivati ​​da će i naboji i mase jezgara biti izraženi u cjelini i višestruka naelektrisanja samog vodonika. Međutim, to nije sasvim tačno. Proučavajući svojstva atomskih jezgara pomoću elektromagnetnih polja, fizičar Aston je otkrio da su elementi čije atomske težine nisu cijele i višestruke zapravo kombinacija različitih atoma, a ne jedne supstance. U svim slučajevima kada atomska težina nije cijeli broj, opažamo mješavinu različitih izotopa. Šta je to? Ako govorimo o sastavu jezgra atoma, izotopi su atomi istog naboja, ali različite mase.

Einstein i jezgro atoma

Teorija relativnosti kaže da masa nije mjera kojom se određuje količina materije, već mjera energije koju materija ima. Prema tome, materija se ne može mjeriti masom, već nabojom koji čini ovu materiju i energijom naboja. Kada se identičan naboj približi drugom sličnom, energija će se povećati, inače će se smanjiti. To svakako ne znači promjenu materije. Prema tome, s ove pozicije, jezgro atoma nije izvor energije, već ostatak nakon njegovog oslobađanja. To znači da postoji neka vrsta kontradikcije.

Neutroni

Curijevi su, bombardirajući berilij alfa česticama, otkrili neke čudne zrake koje, sudarajući se s jezgrom atoma, odbijaju ga ogromnom silom. Međutim, oni su u stanju da prođu kroz veliku debljinu materije. Ova kontradikcija je razriješena činjenicom da se pokazalo da ova čestica ima neutralni električni naboj. Prema tome, nazvan je neutron. Zahvaljujući daljim istraživanjima, pokazalo se da je gotovo isti kao i kod protona. Uopšteno govoreći, neutron i proton su neverovatno slični. Uzimajući u obzir ovo otkriće, definitivno je bilo moguće utvrditi da jezgro atoma sadrži i protone i neutrone, i to u jednakim količinama. Sve je postepeno sjelo na svoje mjesto. Broj protona je atomski broj. Atomska težina je zbir masa neutrona i protona. Izotopom se može nazvati element u kojem broj neutrona i protona nije jednak jedni drugima. Kao što je gore objašnjeno, u takvom slučaju, iako element ostaje suštinski isti, njegova svojstva se mogu značajno promijeniti.