Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Из таблицы 2-1 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. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого «эталонного» атома углерода приведено на рис. 2-5 (б). Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г.

Рис. 2-5. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10 –8 см). Радиус ядра около 10 –5 ангстрема, то есть 10 –13 см. Это в 100000 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.

Масса атома, выраженная в килограммах или граммах, называется абсолютной атомной массой . Чаще пользуются относительной атомной массой, которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес . 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.е.м.» после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “ относительная атомная масса”, “атомная масса” , “ атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. 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.

В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная масса, которую обозначают символом Ar. Здесь «r» – от английского «relative» – относительный. Например, Ar = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 12 6C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

** Из курса физики вы помните, что вес физического тела является переменной величиной. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела – величина постоянная. Поэтому термин “ относительная атомная масса” считается более строгим. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а.е.м. считать округленно равными единице .

На рис. 2-5 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

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. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента .

ЭЛЕМЕНТОМ называется вещество, состоящее из атомов с одинаковым ЗАРЯДОМ ЯДРА.

На рис. 2-5 водород (один протон в ядре) и углерод (шесть протонов в ядре) – это разные химические элементы. А вот атомы (б) и (в), у которых по 6 протонов в ядре (хотя и разное количество нейтронов!), принадлежат одному и тому же химическому элементу (углероду).

** Слово «элемент» существовало в обиходе химиков задолго до того, как стало что-нибудь известно о строении атома. 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!) определение элемента дал еще древнегреческий философ Аристотель (384-322 до н.э.):

«Все окружающее представляет собой элементы либо состоит из элементов. 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? В 1857 году немецкий химик Юстус Либих написал: «Элементы рассматриваются как простые вещества не потому, что мы знаем это, а лишь потому, что не знаем о них противоположного».

Например, долгое время воду считали элементом, и только в 1784 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: «воспламеняемый, горючий воздух из металлов» (дело в том, что водород получали, действуя кислотами на цинк, железо и некоторые другие металлы). Название ВОДО-РОД (то есть – рождающий воду) просто еще не могло существовать, поскольку никто не догадывался, что этот легкий газ и вода имеют друг к другу близкое отношение.

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». Наблюдательный Кавендиш повторил этот опыт, но уже не взрывая, а сжигая водород в кислороде. Ему удалось довольно точно измерить объем взаимодействующих газов (объем водорода в этом опыте относился к объему кислорода как 2 : 1) и показать, что вода является продуктом реакции между этими двумя газами. Отсюда следовало, что вода – не элемент, а химическое соединение водорода и кислорода.

Более практическое определение элементу дал английский физик и химик Роберт Бойль:

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.

Образцы пяти химических элементов из книги П.Эткинса «Молекулы». Желтая глыба – сера (S). Правее – медь (Cu). Красная жидкость в колбе – бром (Br2). В часовых стеклах – элементы иод (фиолетовые кристаллы I2) и ртуть (жидкий металл Hg).

Можно представить себе те трудности, с которыми сталкивались естествоиспытатели до появления теории строения атома. Тем не менее, еще до XIX века были правильно установлены многие элементы: углерод, сера, медь, золото, серебро, железо, свинец, олово, ртуть, цинк, мышьяк, сурьма, висмут, платина, фосфор, кобальт, никель, водород, кислород, азот, марганец.

Сумма тяжелых частиц (нейтронов и протонов) в ядре атома какого-либо элемента называется массовым числом и обозначается буквой А . Из названия этой величины видно, что она тесно связана с округленной до целого числа атомной массой элемента.

Здесь A – массовое число атома (сумма протонов и нейтронов), Z – заряд ядра (число протонов в ядре), N – число нейтронов в ядре.

Природа устроена так, что один и тот же элемент может существовать в виде двух или нескольких изотопов . Изотопы отличаются друг от друга только числом нейтронов в ядре (числом N). Поскольку нейтроны практически не влияют на химические свойства элементов, все изотопы одного и того же элемента химически неотличимы. На рис. 2-5б показан изотоп углерода с массовым числом 12 (6 протонов + 6 нейтронов = 12), а на рис. 2-5в – изотоп углерода с массовым числом 13 (6 протонов + 7 нейтронов = 13).

Изотопами называются вещества, состоящие из атомов с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым числом протонов), но с разным числом нейтронов в ядре. Изотопы отличаются друг от друга только массовым числом. Все элементы состоят из одного или нескольких изотопов.

Например, алмаз состоит из элемента углерода. Если бы удалось изготовить два совершенно одинаковых брильянта из углерода с массовым числом 12 и углерода с массовым числом 13, то оба кристалла в химическом отношении были бы одним и тем же элементом углеродом (заряд ядра + 6), но их масса была бы немного разной. Правда, стоимость брильянтов из чистого углерода-12 и чистого углерода-13 была бы во много раз выше, чем у обычных. Дело в том, что разделять изотопы чрезвычайно трудно из-за того, что их химические и физические свойства очень близки.

** Лишь немногие изотопы в природе неустойчивы и поэтому постепенно распадаются с излучением субатомных частиц и электромагнитных волн. Это явление называется радиоактивностью, о которой мы уже упоминали в этой главе. Вопреки распространенному мнению термин изотоп совсем не обязательно связан с радиоактивностью – большинство природных (но не искусственных!) изотопов устойчиво и мы просто не замечаем их присутствие в том или ином элементе, поскольку не различаем их химические и физические свойства. Таковы изотопы железа, меди, хлора, кальция и многих других элементов, с которыми мы познакомимся немного позже.

Из чего состоят электроны нейтроны и протоны

Все вещества состоят из частиц, называемых атомами . Атомы связываются друг с другом, образуя элементы, и содержат только один вид атома.

Атомы различных элементов образуют соединения, молекулы и объекты.

Атом — это строительный блок материи, который нельзя разбить на части с помощью каких-либо химических средств.

Ядерные реакции могут изменить атомы.

Три части атома — это протоны (положительно заряженные), нейтроны (нейтральный заряд) и электроны (отрицательно заряженные).

  • Протоны и нейтроны образуют атомное ядро .
  • Электроны притягиваются к протонам в ядре, но движутся так быстро, что падают к нему (орбите), а не прилипают к протонам.

Идентичность атома определяется его числом протонов. Это также называется его атомным номером.

Части Атома

Атомы состоят из трех частей:

  • Протоны : протоны являются основой атомов. В то время как атом может получать или терять нейтроны и электроны, его идентичность связана с числом протонов. Символом числа протонов является заглавная буква Z.
  • Нейтроны: число нейтронов в атоме обозначается буквой N. Атомная масса атома является суммой его протонов и нейтронов или Z + N. Сильная ядерная сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро атом.
  • Электроны: электроны намного меньше протонов или нейтронов и вращаются вокруг них.

Основные характеристики атомов:

  • Атомы не могут быть разделены с помощью химических веществ. Они состоят из частей, которые включают протоны, нейтроны и электроны, но атом является основным химическим строительным материалом материи. Ядерные реакции, такие как радиоактивный распад и деление , могут разрушать атомы.
  • Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд.
  • Каждый протон имеет положительный электрический заряд. Заряд протона и электрона равен по величине, но противоположен по знаку. Электроны и протоны электрически притягиваются друг к другу. Как заряды (протоны и протоны, электроны и электроны) отталкиваются друг от друга.
  • Каждый нейтрон электрически нейтрален; иными словами, нейтроны не имеют заряда и не притягиваются электрически ни к электронам, ни к протонам.
  • Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые размеры и намного больше электронов. Масса протона по существу такая же, как у нейтрона.
  • Масса протона в 1840 (!) раз больше массы электрона.
  • Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Ядро несет положительный электрический заряд.

Электроны движутся вне ядра; они организованы в оболочки, которые являются областью наиболее вероятного их местонахождения.

  • Простые модели показывают, что электроны вращаются вокруг ядра по почти круговой орбите, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды, но реальное поведение намного сложнее.
  • Некоторые электронные оболочки напоминают сферы, но другие больше похожи на тупые колокольчики или другие формы.
  • Технически, электрон может быть найден в любом месте в пределах атома, но проводит большую часть своего времени в области, описываемой орбиталью.
  • Электроны также могут перемещаться между орбиталями.

Атомы очень маленькие. Средний размер атома составляет около 100 пикометров или одну десятитысячную часть метра.

  • Почти вся масса атома находится в его ядре; почти весь объем атома занят электронами.
  • Количество протонов (также известно как его атомный номер) определяет элемент.
  • Изменение количества нейтронов приводит к образованию изотопов . Изменение числа электронов приводит к образованию ионов . Изотопы и ионы атома с постоянным числом протонов — это вариации одного элемента.

Частицы внутри атома связаны друг с другом мощными силами.

  • В общем, электроны легче добавлять или удалять из атома, чем протон или нейтрон.

Химические реакции в основном включают атомы или группы атомов и взаимодействия между их электронами.

Атом — его состав и структура

Атом — основная единица элементов. Состав атома и его строение определяет различные свойства элементов. Например, состав атома кристалла кремния будет отличаться от структуры, что представляет, например, вещество уран.
Слово «атом» происходит от греческих корней «а»(без) и «том» (вырезать) что означает «неделимый». Вплоть до 20-го века атомы считались минимально возможными частицами.

Структура атома

Ядро является центральным, очень плотным компонентом атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (совместно называемых нуклонами) и отвечает за большую часть атомной массы. Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре так называемым сильным ядерным взаимодействием (которое является самой сильной известной силой во Вселенной). Вокруг ядра находится облако гораздо меньших и более легких электронов, которые притягиваются к ядру электромагнитной силой от взаимодействия с протонами. Различные количества протонов, нейтронов и электронов приводят к тому, что атом обладает различными химическими свойствами, которые определяют, что это за элемент.

Атомы невообразимо малы, а их ядра в 1000 раз меньше. На самом деле один кубический сантиметр кремния, содержит приблизительно 5 х 10 22 атома (это 5 с 22 нулями после него!). Это масштабы Вселенной, чтобы увидеть визуальное представление о том, насколько они малы.

Протоны

Протоны — это положительно заряженные частицы, которые находятся внутри ядра атома.
Элемент можно распознать по числу протонов в ядре одного из своих атомов. Кроме того, число протонов определяет место элемента в периодической таблице элементов. Например, состав атома углерода имеет ровно 6 протонов в своем ядре и, таким образом, номер 6 в периодической таблице элементов, торий имеет ровно 90 протонов и, таким образом, номер 90 в периодической таблице элементов.
Протоны отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, но стягиваются вместе сильной силой, которая сильнее на коротких расстояниях (эти расстояния составляют около ферми или 10-15 м). Протоны очень маленькие, около 10-15 м в 10 000 раз меньше атома! Несмотря на свои невероятно малые размеры, протоны толкают друг друга с огромной силой, около 100 Н, сравнимой с весом маленькой собаки!
Заряд протона в точности равен и противоположен заряду электрона. Поэтому число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов. Протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые также составляют нейтроны.
Число протонов в ядре называется атомным номером, и это число определяет, каким элементом является вещество. Другими словами, изменение числа протонов, изменяет элемент. Это число протонов (атомный номер) изменяется, когда ядро подвергается бета-распаду или альфа-распаду в любой из его различных форм.
Сложность намеренного изменения количества протонов в ядре велика. Вот почему алхимия (средневековая практика превращения свинца в золото) так долго терпит неудачу!

Нейтроны

Нейтроны имеют ту же массу, что и протоны, что делает их легко определяемыми, сколько находятся в составе ядра атома.
Простое вычитание числа протонов из атомной массы атома даст число нейтронов. Например, цезий является номером 55 в периодической таблице элементов и, следовательно, имеет 55 протонов; кроме того, его атомная масса (обычно также найденная в периодической таблице), как известно, составляет 133 (единицы атомной массы). Вычитание 55 из 133 дает 78, то есть число нейтронов в атоме. Один и тот же тип атома (определяемый количеством протонов) может иметь разное количество нейтронов. Они называются различными изотопами атома. Например, углерод-12 является одним изотопом углерода, а углерод-14 — другим изотопом углерода.

Имеется общее название составляющих атомного ядра. Нуклон — частица из протона и нейтрона, которые образуют ядро. Нуклиды — совокупность атомов с определенным значением нейтронов и протонов: одинаковое число протонов, но разным числом нейтронов. Нуклоны и нуклиды разные понятия.

Электроны

Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что квантовая механика необходима для объяснения их специфического поведения, и насколько физика смогла определить, они являются фундаментальной частицей. Лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые» вращаются » вокруг ядра. Их радиус настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый. Если бы электрон был увеличен до размера Солнечной системы, он все равно выглядел бы сферическим в пределах толщины человеческого волоса.

  • Масса 9.11×10 -31 кг
  • Радиус менее 10 -18 м
  • Отклонение от сферы менее 10 -26 м

Состав атома определяет одинаковое количество протонов и электронов, однако он может потерять или приобрести электрон(ы) становится «несбалансированным». Неуравновешенный атом называется ионом; если он получает электрон (таким образом, имея их больше, чем протонов), он становится отрицательно заряженным ионом или анионом. Если происходит обратное, и атом теряет электрон, он становится положительно заряженный ион или катион. Ионы могут соединяться с другими ионами, создавая большое разнообразие различных смесей.
Один из способов, при котором состав атомов получает или теряет электроны, — это излучение высокой энергии. Это излучение вызывает образование ионов и в результате называется ионизирующим излучением.

Электроны и электричество

Электричество — это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током.

Чтобы этот поток произошел, электроны должны разорвать свою атомную связь (электричество — это поток электронов, а не их поток с ядрами, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать электромагнитную силу, сдерживающую его, и таким образом свободно течь.

Проводящий материал

Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах они более свободно связаны с их ядрами. Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанные электроны требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

Читайте также  Как провести электричество под землей к дому

Что генерирует поток электронов?

Поток электронов можно генерировать различными способами, но основные из них следующие:

  • Электрические генераторы — это устройства, использующие принцип электромагнитной индукции. Электромагнитная индукция это процесс перемещения проводника через магнитное поле с целью создания электронного потока. Требуется только относительное движение проводника и магнитного поля, что означает, что магнитное поле может двигаться, пока проводник неподвижен. Когда электроны в проводнике проходят через магнитное поле (если поле достаточно сильное, а относительная скорость проводников через поле достаточно быстрая), то связи с их ядрами будут разорваны и будет индуцирован поток. Для того чтобы вызвать высокий уровень электронного потока, необходимо большое количество энергии для создания относительной скорости между проводником и магнитами.
  • Химические реакции внутри батарей также создают электродвижущую силу, заставляющую электроны течь по цепи.
  • Фотоны (энергия света) также могут вызывать поток электронов, когда они сталкиваются с фотоэлектрической ячейкой расположенной в солнечной панели.

Таким образом, структура или состав атома определяет принадлежность к тому или иному химическому элементу.

Что у атома внутри

Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов 1 .

А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).

Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.

Договорились считать 2 , что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.

Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.

Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!

Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу. Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?

И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же.

Задача 1

Взяли две пары маленьких незаряженных шариков. В первой паре от атомов одного шарика «оторвали» 100 электронов и «посадили» их на второй шарик. Во второй паре то же самое сделали с тысячей электронов. Потом шарики в каждой паре разнесли на одно и то же довольно большое расстояние. (Пары далеко друг от друга, гораздо дальше, чем шарики в каждой паре.) Будут ли шарики каждой пары притягиваться или отталкиваться? В какой паре сила их взаимодействия больше и во сколько раз?

Шарики каждой пары притягиваются, во второй паре притяжение сильнее в 100 раз. Действительно, во втором случае «без электрона» осталось 1000 протонов, в 10 раз больше, чем в первом. Они притягивают каждый «убежавший» электрон в 10 раз сильнее. Но и «убежавших» электронов во втором случае в 10 раз больше! Значит, суммарная действующая на них сила отличается в 100 раз.

Заметим, что остальные, «неразлучённые» протоны и электроны тоже притягивают или отталкивают каждую заряженную частицу, но их действие скомпенсировано: с какой силой протон притягивает, с такой же электрон рядом с ним отталкивает, или наоборот.

Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.

Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.

Протоны притягивают к себе электроны и заставляют их вертеться вокруг ядра, не улетая далеко. А нейтроны в электрическом взаимодействии не участвуют. Зачем же они тогда нужны? Затем, чтобы «склеивать» протоны в ядре — ведь протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы разлетелись в разные стороны! Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе, — уже не электрические. Они действуют только на очень маленьких расстояниях — внутри ядра 3 .

Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!

Масса атома — в единицах массы водорода — написана в каждой клетке внизу 4 . Легко убедиться, что у нетяжёлых атомов нейтронов примерно столько же, сколько протонов. А у тяжёлых — нейтронов больше: всё труднее становится удерживать всю эту громоздкую конструкцию.

Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).

В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа.

Когда хотят уточнить, какой именно изотоп имеется в виду, заряд ядра и его массу пишут прямо рядом с названием элемента: например, (<>^<1>_<1>mathrm) — обычный водород; (<>^<2>_<1>mathrm) — тяжёлый водород, он же дейтерий; (<>^<3>_<1>mathrm) — сверхтяжёлый водород, тритий.

Ну-ка, проверим — всё ли понятно?

Задача 2

Сколько у атома (<>^<12>_<6>mathrm) электронов, протонов и нейтронов? А у атома (<>^<23>_<11>mathrm)? А у атома (<>^<197>_<79>mathrm)? У каких атомов 30 нейтронов? (Считаем только основные, самые распространённые изотопы каждого элемента.)

(<>^<12>_<6>mathrm) — 6 электронов, 6 протонов, 6 нейтронов; (<>^<23>_<11>mathrm) — 11 электронов, 11 протонов, 23−11 = 12 нейтронов; (<>^<197>_<79>mathrm) — 79 электронов, 79 протонов, 197−79 = 118 нейтронов; у марганца (<>^<55>_<25>mathrm) и железа (<>^<56>_<26>mathrm).

Задача 3

Если 1 кг воды «расщепить» на кислород и водород, сколько получится граммов газа кислорода?

В молекуле воды на каждый атом кислорода приходится 2 атома водорода. Но в атоме кислорода 8 протонов + 8 нейтронов, он весит в 16:2 = 8 раз больше, чем оба эти атома водорода, вместе взятые (в них ведь всего по одному протону). Значит, на атомы кислорода приходится 8/9 всей массы воды. Когда атомы кислорода «отцепятся» от атомов водорода и «слепятся» по два в молекулы кислорода О2, их суммарная масса останется прежней: 8/9 кг.

Задача 4

Во что превратится атом кислорода (<>^<16>_<8>mathrm), если добавить в его ядро один нейтрон? А если убрать один протон?

Если добавить нейтрон, получится тяжёлый изотоп кислорода, (<>^<17>_<8>mathrm). А вот если убрать один протон, получится 7 протонов в ядре — это уже не кислород, а азот, хотя и тяжёлый его изотоп (<>^<15>_<7>mathrm). Если при этом ни один электрон не улетит, это будет к тому же отрицательно заряженный ион: электронов больше, чем протонов. Впрочем, появление нового или потеря одного из имеющихся электронов случается с атомами гораздо чаще, чем изменение состава ядра.

Задача 5

У хлора два распространённых изотопа. Более редкий из них имеет 20 нейтронов. Во сколько раз изотопов хлора-37 в природе меньше, чем изотопов хлора-35?

Если бы был только изотоп (<>^<35>_<17>mathrm), масса всех атомов составляла бы 35 масс протона (или нейтрона). В среднем, как мы видели из таблицы Менделеева, на каждый атом хлора приходится примерно 35,5, то есть 0,5 «лишних» нейтрона. А в каждом атоме тяжёлого изотопа (<>^<37>_<17>mathrm) два лишних нейтрона. Значит, чтобы в среднем была половина, тяжёлым должен быть каждый четвёртый атом.

(Более аккуратный подсчёт по указанному в таблице значению средней массы, (35,45−35):2 = 0,225, не даёт более точной оценки — ведь есть ещё другие изотопы хлора. Хоть их и совсем мало, но точнее сосчитать они помешают.)

Итак, изотоп (<>^<37>_<17>mathrm) составляет около 1/4 всего имеющегося в природе хлора, а (<>^<35>_<17>mathrm) — остальные 3/4. Поэтому изотопа (<>^<37>_<17>mathrm) в 3 раза меньше.

Контрольная задача

Есть 3 списка: 1) азот, никель, алюминий, железо, медь, гелий; 2) вода, метан, поваренная соль, спирт, сахар, аспирин; 3) дерево, воздух, бумага, нефть, водка, гранит. Что общего в материалах внутри каждого списка и в чём отличие списков друг от друга? По какому принципу собраны эти списки?

В первом списке молекулы состоят из одинаковых атомов (атомов только одного вида); во втором — каждая молекула состоит из разных атомов, но все молекулы одинаковы. В третьем — вещества состоят из смеси молекул разных видов.

Художник Мария Усеинова

1 А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.

2 Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.

3 Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (strong force), сильное взаимодействие.

4 Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее.

Нейтрон и протий

Физики не любят говорить о том, что они что-то не знают и поэтому не могут объяснить некоторые опытные данные. Когда возникают трудности в объяснении какого-либо факта, противоречащего признанной теории, то часто это противоречие устраняют с помощью гипотезы. Если гипотеза получает признание специалистов, то она приобретает силу аксиомы. Но при этом гипотеза, устранив одну из трудностей, может привести к другим трудностям, которым потом не уделяют должного внимания. Или устраняют эти трудности с помощью ещё одной гипотезы. В конце концов физики приходят к соглашению, которое признаётся большинством специалистов, но не устраняет при этом полностью противоречия теоретических представлений с опытными данными.
Такая история произошла с нейтроном, который в современной физике рассматривается как элементарная частица.

НЕЙТРОН И ПРОТОН

В современной физике принято считать, что нейтрон и протон это одна и та же элементарная частица, отличающаяся электрическим зарядом: нейтрон не имеет заряда, а у протона он равен 1. Однако это представление противоречит опытным данным. Нейтрон в свободном состоянии распадается на протон и электрон за время порядка 15 минут. А протон является стабильной частицей.

ТРУДНОСТИ В СОВРЕМЕННЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ О НЕЙТРОНЕ

Представление о нейтроне как элементарной частице не даёт удовлетворительного объяснения следующих особенностей нейтрона:
Распад нейтрона на протон и электрон.
Наличие магнитного момента при нулевом электрическом заряде.
Превышение массы нейтрона суммарной массы частиц, на которые он распадается.

Протий — наиболее распространённый в природе изотоп водорода. Это простейший атом, ядро которого состоит из протона, а электронная оболочка состоит из единственного электрона. Лёгкий электрон вращается вокруг тяжёлого неподвижного протона. Другой изотоп водорода дейтерий отличается тем, что его ядро состоит из протона и нейтрона. Он мало распространён в природе. У третьего изотопа трития ядро состоит из протона и двух нейтронов. Этот изотоп в свободном состоянии в природе не встречается.

После открытия атомного ядра Резерфордом в 1911 г. физики считали, что ядро состоит из протонов и электронов — элементарных частиц, которые были известны в то время. Но после открытия нейтрона и определения его спина, равного 1/2 (в конце 20-х годов), эта гипотеза столкнулась с трудностью, которая получила название «азотной катастрофы». Её суть состоит в следующем. Согласно протонно-электронной гипотезе, ядро азота N(14, 7) должно состоять из 14 протонов и 7 электронов. Каждая из этих частиц имеет спин 1/2. Тогда суммарный спин ядра азота получается полуцелым. Но по данным измерений он является целым.
Но если принять, что ядро азота N(14, 7) состоит не из протонов и электронов, а из протонов и нейтронов, то получаем такой состав: 7 протонов и 7 нейтронов. В этом случае суммарный спин ядра N(14, 7) получается целым, что соответствует данным измерений. При этом и для других ядер химических элементов получаем согласование суммарного спина ядра с суммой спинов составляющих ядро протонов и нейтронов. В связи с этим физики пришли к соглашению, что нейтрон следует считать элементарной частицей, а ядра состоят из протонов и нейтронов.
Итак, проблему со спином ядра азота N(14, 7) физики решили, но при этом ранее указанные противоречия представлений о нейтроне как элементарной частице остались.

НЕЙТРОН И ПРОТИЙ КАК ОДНА СИСТЕМА

Характерным общим свойством нейтрона и протия является то, что нейтрон распадается на те же частицы, из которых состоит протий — протон и электрон. Это даёт основание рассматривать нейтрон и протий как одну систему, находящуюся в различных энергетических состояниях. Именно это обстоятельство автор использовал как основополагающее для построения новой теории нейтрона, в которой он рассматривается как протий в низшем энергетическом состоянии.

Теория атома водорода разработана Нильсом Бором. Согласно теории Бора, электрон вращается относительно протона по устойчивым орбитам, которые определены условиями квантования. На этих орбитах движение электрона происходит без излучения энергии. Из условия равенства сил электростатического притяжения и центростремительной силы, образуемой орбитальным вращением электрона, Бор вывел формулы для определения радиусов орбит электрона и скоростей на этих орбитах. Эти параметры зависят от квантовых чисел n. Они имеют целые значения n = 1, 2, 3. . При n = 1 орбита электрона имеет наименьший радиус.

Эти формулы я использовал для определения радиуса орбиты электрона и его скорости в нейтроне. Итак, радиус орбиты нейтрона должен быть целым числом и заведомо меньше, чем наименьший радиус в атоме водорода. Получается, что n = 0. Но при подстановке n = 0 в формулу Бора для определения скорости электрона получаем, что скорость принимает бесконечно большое значение. Поскольку законы квантования не допускают бесконечно больших величин, я принял значение скорости равное скорости света, как наибольшего допустимого значения скорости в электромагнитных взаимодействиях. Получилось, что радиус орбиты электрона (радиус нейтрона Rn) в нейтроне (равен:
Rn = s x le,
где s = 1/137 — фундаментальная величина, так называемая постоянная тонкой структуры; le — комптоновская длина волны электрона.

Тогда численное значение радиуса нейтрона в свободном состоянии
Rn = 2.827х10^(-15 м).
Это значение совпадает с так называемым классическим радиусом электрона.
Сравним полученное значение Rn с боровским радиусом атома водорода R1, которому соответствует квантовое число n = 1.
R1 = 5.292х10^(-11) м.
Численное значение R1 с использованием констант s и le можно определить так:
R1 = le/s .

Таким образом, радиус нейтрона в свободном состоянии и боровский радиус атома водорода определяются одними и теми же фундаментальными постоянными s и le. Их количественное отношение определяется как:
Rn/R1 = s^2.
Это дополнительно подтверждает тот факт, что нейтрон и протий это одна система в различных энергетических состояниях.

Так как нейтрон является квантово-механической системой «протон-электрон», то его спин слагается из трёх составляющих: спина протона, спина электрона и орбитального момента электрона Le. Наличие орбитального момента электрона подтверждается тем, что нейтрон имеет магнитный момент. Тогда три слагаемых с полуцелым спином дают полуцелый суммарный спин.

Как отмечалось выше, масса нейтрона превышает суммарную массу протона и электрона — частиц, на которые он распадается. Это небольшое превышение объясняется тем, что масса нейтрона включает в себя кроме массы составляющих его частиц ещё полевую компоненту массы. Это масса, эквивалентная энергии связи протона и электрона, которая обусловлена электростатическим притяжением протона и электрона.

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ НЕЙТРОНА

Определённый автором магнитный момент нейтрона имеет значение, близкое к приведенному Л. Полингом в его книге «Общая химия». Соответственно 3.27 и 3.31.

О РАДИУСЕ НЕЙТРОНА В СОСТАВЕ АТОМНОГО ЯДРА

Нейтрон в атомном ядре испытывает поляризацию. Положительно заряженное ядро притягивает электрон и отталкивает протон. Поэтому нейтрон в составе ядра представляет собой диполь, электрон не вращается относительно протона. При этом размер нейтрона Rn’ определяется как расстояние между протоном и электроном. Определённая автором величина составляет Rn’ = 0.92х10^(-15) м.

О ПРОТОННО-ЭЛЕКТРОННОЙ ГИПОТЕЗЕ СТРОЕНИЯ ЯДРА

С учётом представления о нейтроне как системе «протон-электрон» возвращаемся к протонно-электронной гипотезе строения ядра. Тогда можно считать, что, действительно, ядра состоят из протонов и электронов. При этом электроны входят в состав ядра не как отдельные частицы, а в составе нейтронов.

О ГРУППИРОВАНИИ ПРОТОНОВ И НЕЙТРОНОВ В СОСТАВЕ ЯДРА

Как показано в ядерной модели Л. Полинга, протоны и нейтроны в составе ядра группируются в более сложные частицы. Это подтверждается опытными данными. Так, первые трансурановые элементы были получены в результате облучения урановой мишени нейтронами. При этом наблюдалось: вылет из ядра электронов, вылет гелионов (ядер гелия, альфа-частиц) и деление ядра на осколки. Нейтроны как незаряженные частицы легко проникают в ядро, а в ядре превращаются в более сложные частицы, а именно, в дейтроны (ядра дейтерия), тритоны (ядра трития) и, в конечном счёте, в гелионы. Гелионы не превращаются в другие частицы и по достижении определённого предельного значения могут покинуть ядро. Вылет электронов объясняется превращением двух нейтронов в дейтрон и свободный электрон, который покидает ядро.

Читайте также  Как подключить электропечь в сауне

ЕЩЁ РАЗ ОБ АЗОТНОЙ КАТАСТРОФЕ

Если определить состав ядра азота N(14,7) согласно модели Полинга, то оно состоит из трёх гелионов и одного дейтрона. Эти частицы имеют целый спин, что и определяет суммарный целый спин ядра азота. Следовательно, нет «азотной катастрофы» и нет необходимости в гипотезе, согласно которой физики стали считать нейтрон элементарной частицей.

Согласно предлагаемой теории, нейтрон не является элементарной частицей, как это принято считать в современной физике. Доказано, что нейтрон и изотоп водорода протий являются одной системой в различных энергетических состояниях, отличающихся квантовым числом. В предлагаемой теории даётся объяснение основных характеристик нейтрона и устраняются противоречия, связанные с представлением о нейтроне как элементарной частице.
Предлагаемая теория нейтрона изложена в статье “Neutron is Not Elementary Particle” , которая опубликована в журнале “Galilean Electrodynamics” (США, 2016), а также других публикациях автора, включая книгу «Ядерная химия» (2018) и страницу автора «Физика без камней в голове» на сайте «Цифровая витрина».
6-6-20

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector