Kõik looduse füüsilised kehad on ehitatud teatud tüüpi ainest, mida nimetatakse aineks. Ained jagunevad kahte põhirühma – liht- ja kompleksained.
Komplekssed ained on need ained, mida saab keemiliste reaktsioonide kaudu lagundada teisteks lihtsamateks aineteks. Erinevalt keerulistest ainetest on lihtsad ained, mida ei saa keemiliselt veel lihtsamateks aineteks lagundada.
Kompleksaine näiteks on vesi, mis poolt keemiline reaktsioon võib laguneda kaheks muuks lihtsamaks aineks – vesinikuks ja hapnikuks. Mis puudutab kahte viimast, siis neid ei saa enam keemiliselt lagundada lihtsamateks aineteks ja seetõttu on tegemist lihtainetega ehk teisisõnu keemilised elemendid.
19. sajandi esimesel poolel kehtis teaduses oletus, et keemilised elemendid on muutumatud ained, millel puudub omavahel ühine seos. Vene teadlane D. I. Mendelejev (1834 - 1907) tuvastas selle seose aga esmakordselt 1869. aastal keemilised elemendid, mis näitab seda kvaliteediomadus igaüks neist sõltub selle kvantitatiivsetest omadustest - aatommassist.
Keemiliste elementide omadusi uurides märkas D.I. Mendelejev, et nende omadused korduvad perioodiliselt sõltuvalt nende aatommassist. Ta näitas seda perioodilisust tabeli kujul, mis lisati teadusesse "Mendelejevi elementide perioodilise tabeli" nime all.
Allpool on Mendelejevi kaasaegne keemiliste elementide perioodilisustabel.
Aatomid
Kaasaegsete teaduskontseptsioonide kohaselt koosneb iga keemiline element pisikeste materjali (materjali) osakeste kogumist, mida nimetatakse aatomiteks.
Aatom on keemilise elemendi väikseim osa, mida ei saa enam keemiliselt lagundada muudeks, väiksemateks ja lihtsamateks aineosakesteks.
Oma olemuselt erinevate keemiliste elementide aatomid erinevad üksteisest oma füüsikaliste ja keemiliste omaduste, struktuuri, suuruse, massi, aatommassi, sisemise energia ja mõnede muude omaduste poolest. Näiteks vesinikuaatom erineb oma omadustelt ja struktuurilt järsult hapnikuaatomist ning viimane uraani aatomist jne.
On kindlaks tehtud, et keemiliste elementide aatomid on äärmiselt väikesed. Kui eeldame tinglikult, et aatomitel on sfääriline kuju, siis peaks nende läbimõõt olema võrdne saja miljondiku sentimeetriga. Näiteks vesinikuaatomi - looduses väikseima aatomi - läbimõõt on võrdne saja miljondiku sentimeetriga (10–8 cm) ja suurimate aatomite, näiteks uraani aatomi läbimõõt ei ületa kolmsada miljondik sentimeetrit (3 10–8 cm). Järelikult on vesinikuaatom sama mitu korda väiksem kui ühe sentimeetrise raadiusega kuul, kui viimane on maakerast väiksem.
Vastavalt aatomite väga väikesele suurusele on ka nende mass väga väike. Näiteks vesinikuaatomi mass on m = 1,67 10 -24 g See tähendab, et üks gramm vesinikku sisaldab ligikaudu 6 10 23 aatomit.
Keemiliste elementide aatommasside kokkuleppeliseks mõõtühikuks on 1/16 hapnikuaatomi massist.Vastavalt sellele keemilise elemendi aatommassile kutsutakse abstraktset arvu, mis näitab, mitu korda kaalu antud keemilise elemendi osa on suurem kui 1/16 hapnikuaatomi massist.
IN perioodilisustabel D.I. Mendelejevi elemendid, on toodud kõikide keemiliste elementide aatommassid (vt elemendi nimetuse alla pandud numbrit). Sellest tabelist näeme, et kõige kergem aatom on vesinikuaatom, mille aatommass on 1,008. Süsiniku aatommass on 12, hapniku 16 jne.
Mis puudutab raskemaid keemilisi elemente, siis nende aatommass ületab vesiniku aatommassi enam kui kakssada korda. Seega on elavhõbeda aatommass 200,6, raadium 226 jne. Mida suurem on keemilise elemendi arv elementide perioodilisuse tabelis, seda suurem on aatommass.
Suurem osa keemiliste elementide aatommassidest on väljendatud murdarvud. See on teatud määral seletatav asjaoluga, et sellised keemilised elemendid koosnevad mitut tüüpi aatomite kogumist, millel on erinev aatomi mass, kuid samad keemilised omadused.
Keemilisi elemente, millel on elementide perioodilisustabelis sama arv ja seetõttu on samad keemilised omadused, kuid erinev aatommass, nimetatakse isotoopideks.
Isotoope leidub enamikus keemilistes elementides, sellel on kaks isotoopi, kaltsium - neli, tsink - viis, tina - üksteist jne. Paljud isotoobid saadakse kunsti kaudu, mõned neist on praktilise tähtsusega.
Aine elementaarosakesed
Pikka aega arvati, et keemiliste elementide aatomid on aine jaguvuse piiriks, s.o nagu universumi elementaarsed “ehituskivid”. Kaasaegne teadus lükkas selle hüpoteesi ümber, kinnitades, et mis tahes keemilise elemendi aatom on isegi väiksemate aineosakeste kogum kui aatom ise.
Aine struktuuri elektroonilise teooria kohaselt on mis tahes keemilise elemendi aatom süsteem, mis koosneb kesktuumast, mille ümber pöörlevad elementaarosakesed, mida nimetatakse elektronideks. Aatomite tuumad koosnevad üldtunnustatud vaadete kohaselt elementaarsete aineosakeste - prootonite ja neutronite - kogumist.
Aatomite ehituse ning neis toimuvate füüsikaliste ja keemiliste protsesside mõistmiseks on vaja vähemalt põgusalt tutvuda aatomeid moodustavate elementaarosakeste põhiomadustega.
Määras selle elektron on aineosake, millel on väikseim looduses täheldatud negatiivne elektrilaeng.
Kui eeldame tinglikult, et elektron kui osake on sfäärilise kujuga, peaks elektroni läbimõõt olema 4 · 10 -13 cm, st see on kümneid tuhandeid kordi väiksem kui mis tahes aatomi läbimõõt.
Elektronil, nagu igal teisel materjaliosakel, on mass. Elektroni "puhkemass", s.o mass, mis tal on suhtelises puhkeseisundis, on võrdne m o = 9,1 10 -28 g.
Elektroni üliväike "puhkemass" näitab, et elektroni inertsed omadused on äärmiselt nõrgad, mis tähendab, et elektron võib muutuva elektrijõu mõjul ruumis võnkuda sagedusega palju miljardeid tsükleid per kohta. teiseks.
Elektroni mass on nii väike, et ühe grammi elektronide saamiseks oleks vaja võtta 1027 ühikut. Omada sellest vähemalt füüsilist ettekujutust on kolossaalne suur number, toome näite. Kui ühe grammi elektrone saaks paigutada sirgjooneliselt üksteise lähedale, moodustaksid nad nelja miljardi kilomeetri pikkuse ahela.
Elektroni, nagu iga teise materjali mikroosakese, mass sõltub selle liikumise kiirusest. Suhtelises puhkeseisundis oleval elektronil on "puhkusmass", mis on mehaanilise iseloomuga, nagu iga füüsilise keha mass. Mis puutub elektroni "liikumismassi", mis suureneb selle liikumiskiiruse suurenedes, siis see on elektromagnetilise päritoluga. See on tingitud elektromagnetvälja olemasolust liikuvas elektronis kui teatud tüüpi aines, millel on mass ja elektromagnetiline energia.
Mida kiiremini elektron liigub, seda enam avalduvad tema elektromagnetvälja inertsiaalsed omadused ja järelikult ka viimase mass ja vastavalt ka elektromagnetenergia. Kuna elektron oma elektromagnetväljaga moodustab ühe, orgaaniliselt ühendatud materiaalne süsteem, siis on loomulik, et elektroni elektromagnetvälja liikumismassi saab otseselt omistada elektronile endale.
Elektronil on lisaks osakese omadustele ka lainelised omadused. Kogemused on näidanud, et elektronide voog, nagu valgusvoog, levib lainetaolise liikumise kujul. Elektronivoolu lainelise liikumise olemust ruumis kinnitavad elektronlainete interferentsi ja difraktsiooni nähtused.
Elektronide häired- see on elektrooniliste testamentide üksteise peale asetamise nähtus ja elektronide difraktsioon- see on nähtus, kus elektronlained painduvad ümber kitsa pilu servade, mida läbib elektronvoog. Järelikult pole elektron lihtsalt osake, vaid “osakeste laine”, mille pikkus sõltub elektroni massist ja kiirusest.
On kindlaks tehtud, et elektron sooritab lisaks translatsioonilisele liikumisele ka pöörlevat liikumist ümber oma telje. Seda tüüpi elektronide liikumist nimetatakse "spinniks" (alates Ingliskeelne sõna"spin" - spindel). Sellise liikumise tulemusena omandab elektron lisaks elektrilaengust tulenevatele elektrilistele omadustele ka magnetilisi omadusi, mis meenutavad selles osas elementaarmagnetit.
Prooton on aineosake, mille positiivne elektrilaeng on absoluutväärtuselt võrdne elektroni elektrilaenguga.
Prootoni mass on 1,67 · 10-24 g, st see on ligikaudu 1840 korda suurem elektroni "puhkemassist".
Erinevalt elektronist ja prootonist, neutronil puudub elektrilaeng, st see on elektriliselt neutraalne aine "elementaarosake". Neutroni mass on peaaegu võrdne prootoni massiga.
Elektronid, prootonid ja neutronid, olles osa aatomitest, interakteeruvad üksteisega. Eelkõige tõmbuvad elektronid ja prootonid vastastikku vastastikku vastassuunaliste elektrilaengutega osakestena. Samal ajal tõrjutakse elektronist pärit elektron ja prootonist prooton samade elektrilaengutega osakestena.
Kõigi nende elektriliselt laetud osakeste vastastikmõju toimub nende elektriväljade kaudu. Need väljad esindavad erilist ainetüüpi, mis koosneb elementaarmaterjali osakeste kogumist, mida nimetatakse footoniteks. Igal footonil on talle omane rangelt määratletud kogus energiat (energiakvant).
Elektriliselt laetud materjaliosakeste interaktsioon toimub footonite vahetamise teel üksteisega. Tavaliselt nimetatakse elektriliselt laetud osakeste vastastikmõju jõudu elektriline jõud.
Ka aatomituumades leiduvad neutronid ja prootonid interakteeruvad omavahel. Seda suhtlust aga enam läbi ei viida elektriväli, kuna neutron on elektriliselt neutraalne aineosake ja läbi nn tuumavälja.
See väli on ka eritüüpi aine, mis koosneb elementaarmaterjali osakeste kogumist, mida nimetatakse mesoniteks. Neutronite ja prootonite interaktsioon toimub mesonite vahetamise teel. Neutronite ja prootonite vahelist jõudu nimetatakse tuumajõuks.
On kindlaks tehtud, et tuumajõud toimivad aatomite tuumades üliväikestel vahemaadel - ligikaudu 10-13 cm.Tuumajõud ületavad suuruselt oluliselt aatomi tuumas olevate prootonite vastastikuse tõrjumise elektrilisi jõude. See toob kaasa asjaolu, et nad ei suuda mitte ainult ületada prootonite vastastikuse tõrjumise jõude aatomite tuumades, vaid ka luua prootonite ja neutronite kombinatsioonist väga tugevaid tuumasüsteeme.
Iga aatomi tuuma stabiilsus sõltub kahe vastuolulise jõu – tuuma (prootonite ja neutronite vastastikune külgetõmbejõud) ja elektrilise (prootonite vastastikune tõukejõud) – vahelisest suhtest.
Aatomite tuumades mõjuvad võimsad tuumajõud aitavad kaasa neutronite ja prootonite muutumisele üksteiseks. Need neutronite ja prootonite vastastikused muundumised toimuvad kergemate elementaarosakeste, näiteks mesonite, vabanemise või neeldumise tulemusena.
Osakesi, mida oleme käsitlenud, nimetatakse elementaarseteks, kuna need ei koosne muude, lihtsamate aineosakeste kogumist. Kuid samal ajal ei tohi me unustada, et nad on võimelised üksteiseks muutuma, tekkides üksteise arvelt. Seega on need osakesed mingid keerulised moodustised, st nende elementaarsus on tinglik.
Aatomite keemiline struktuur
Selle struktuuri lihtsaim aatom on vesinikuaatom. See koosneb ainult kahe elementaarosakese kogust - prootonist ja elektronist. Prooton vesinikuaatomi süsteemis täidab keskse tuuma rolli, mille ümber elektron teatud orbiidil pöörleb. Joonisel fig. Joonisel 1 on skemaatiliselt kujutatud vesinikuaatomi mudel.
Riis. 1. Vesiniku aatomi ehituse skeem
See mudel on tegelikkuse ligikaudne ülevaade. Fakt on see, et elektroni kui “osakeste laine” ruumala ei ole väliskeskkonnast järsult piiritletud. See tähendab, et me ei peaks rääkima mingist täpsest elektroni lineaarsest orbiidist, vaid mingist elektronpilvest. Sel juhul hõivab elektron kõige sagedamini mõne keskjoon pilv, mis on üks selle võimalikest orbiitidest aatomis.
Peab ütlema, et elektroni enda orbiit ei ole aatomis rangelt muutumatu ja liikumatu – ka see läbib elektroni massi muutumise tõttu mõningast pöörlevat liikumist. Järelikult on elektroni liikumine aatomis suhteline keeruline iseloom. Kuna vesinikuaatomi tuumal (prootonil) ja selle ümber pöörleval elektronil on vastupidised elektrilaengud, tõmbuvad nad vastastikku külge.
Samal ajal arendab aatomi tuuma ümber pöörlev elektron tsentrifugaaljõudu, mis kipub seda tuumast eemaldama. Järelikult on aatomi tuuma ja elektroni vastastikuse tõmbejõu elektriline jõud ja elektronile mõjuv tsentrifugaaljõud vastuolulised jõud.
Tasakaaluseisundis hõivab nende elektron aatomi teatud orbiidil suhteliselt stabiilse positsiooni. Kuna elektroni mass on väga väike, peab aatomi tuuma külgetõmbejõu tasakaalustamiseks see pöörlema tohutu kiirusega, mis võrdub ligikaudu 6 10 15 pööretega sekundis. See tähendab, et vesinikuaatomi süsteemis olev elektron liigub nagu iga teine aatom mööda oma orbiiti lineaarkiirusega üle tuhande kilomeetri sekundis.
IN normaalsetes tingimustes Elektron pöörleb omalaadses aatomis tuumale lähimal orbiidil. Samal ajal on sellel minimaalne võimalik energiakogus. Kui elektron liigub ühel või teisel põhjusel näiteks mõne muu aatomisüsteemi tunginud aineosakeste mõjul aatomist kaugemal asuvale orbiidile, siis on tal juba veidi suurem energiahulk.
Elektron jääb sellele uuele orbiidile aga ebaoluliselt lühikeseks ajaks, misjärel pöörleb uuesti aatomituumale lähimale orbiidile. Selle käigu ajal annab see oma üleliigse energia välja elektrilise magnetkiirguse kvanti – kiirgusenergia kujul (joonis 2).
Riis. 2. Kaugelt orbiidilt aatomituumale lähemal asuvale liikudes kiirgab elektron kiirgusenergia kvant
Mida rohkem energiat elektron väljast saab, seda kaugemal on orbiit aatomi tuumast, kuhu ta liigub ja seda rohkem suur kogus See kiirgab elektromagnetilist energiat, kui see pöörleb tuumale lähimale orbiidile.
Mõõtes energiahulka, mille elektron kiirgab erinevatelt orbiitidelt aatomi tuumale kõige lähemal asuvale liikudes, suudeti kindlaks teha, et elektron on vesinikuaatomi süsteemis nagu iga teise aatomi süsteemis. , ei saa liikuda suvalisele orbiidile, vaid rangelt määratletud orbiidile vastavalt energiale, mida ta mõju all saab väline jõud. Orbiite, mida elektron võib aatomis hõivata, nimetatakse lubatud orbiitideks.
Kuna vesinikuaatomi tuuma positiivne laeng (prootonlaeng) ja elektroni negatiivne laeng on arvuliselt võrdsed, on nende kogulaeng null. See tähendab, et vesinikuaatom on normaalses olekus elektriliselt neutraalne osake.
See kehtib kõigi keemiliste elementide aatomite kohta: mis tahes keemilise elemendi aatom normaalses olekus on elektriliselt neutraalne osake, mis on tingitud tema positiivsete ja negatiivsete laengute arvulisest võrdsusest.
Kuna vesinikuaatomi tuum sisaldab ainult ühte "elementaarosakest" - prootonit, on selle tuuma nn massiarv võrdne ühega. Mis tahes keemilise elemendi aatomi tuuma massiarv on selle tuuma koostises sisalduvate prootonite ja neutronite koguarv.
Looduslik vesinik koosneb peamiselt aatomite kogumist, mille massiarv on üks. Kuid see sisaldab ka teist tüüpi vesinikuaatomeid, mille massiarv on kaks. Selle raske vesiniku aatomite tuumad, mida nimetatakse deuteroniteks, koosnevad kahest osakesest - prootonist ja neutronist. Seda vesiniku isotoopi nimetatakse deuteeriumiks.
Looduslik vesinik sisaldab väga väikeses koguses deuteeriumi. Iga kuue tuhande kerge vesiniku aatomi kohta (massiarv ühega) on ainult üks deuteeriumiaatom (raske vesinik). On veel üks vesiniku isotoop – üliraske vesinik, mida nimetatakse triitiumiks. Selle vesiniku isotoobi aatomi tuumades on kolm osakest: prooton ja kaks neutronit, mis on omavahel seotud tuumajõududega. Triitiumi aatomi tuuma massiarv on kolm, st triitiumi aatom on kolm korda raskem kui kerge vesinikuaatom.
Kuigi vesiniku isotoopide aatomid on erineva massiga, on neil siiski samad keemilised omadused.Näiteks kerge vesinik, astudes hapnikuga keemilisele vastasmõjule, moodustab sellega kompleksse aine – vee. Samamoodi vesiniku isotoop deuteerium ühineb hapnikuga, moodustades vee, mida erinevalt tavalisest veest nimetatakse raskeks veeks. Rasket vett kasutatakse laialdaselt tuumaenergia (tuuma) tootmise protsessis.
Seega Keemilised omadused aatomid ei sõltu nende tuumade massist, vaid ainult aatomi elektronkihi struktuurist. Kuna kergetel vesiniku-, deuteeriumi- ja triitiumiaatomitel on sama arv elektrone (üks iga aatomi kohta), on neil isotoopidel samad keemilised omadused.
Pole juhus, et keemiline element vesinik on elementide perioodilisuse tabeli esimesel numbril. Fakt on see, et elementide perioodilisuse tabeli mis tahes elemendi arvu ja selle elemendi aatomi tuuma laengu väärtuse vahel on teatav seos. Selle saab sõnastada järgmiselt: mis tahes keemilise elemendi seerianumber elementide perioodilises tabelis on arvuliselt võrdne selle elemendi tuuma positiivse laenguga ja järelikult selle ümber pöörlevate elektronide arvuga.
Kuna vesinik on elementide perioodilisuse tabeli esimesel arvul, tähendab see, et selle aatomi tuuma positiivne laeng on võrdne ühega ja üks elektron pöörleb ümber tuuma.
Keemiline element heelium on elementide perioodilises tabelis teisel kohal. See tähendab, et selle tuuma positiivne elektrilaeng on võrdne kahe ühikuga, st selle tuum peab sisaldama kahte prootonit ja aatomi elektronkiht peab sisaldama kahte elektroodi.
Looduslik heelium koosneb kahest isotoobist – raskest ja kergest heeliumist. Raske heeliumi massiarv on neli. See tähendab, et raske heeliumi aatomi tuum peab lisaks ülalmainitud kahele prootonile sisaldama veel kahte neutronit. Mis puudutab kerget heeliumi, siis selle massiarv on kolm, st selle tuum peab lisaks kahele prootonile sisaldama veel ühte neutroni.
On kindlaks tehtud, et looduslikus heeliumis on kerge heeliumi aatomite arv ligikaudu miljondik rasketest heeliumiaatomitest. Joonisel fig. Joonisel 3 on kujutatud heeliumi aatomi skemaatiline mudel.
Riis. 3. Heeliumi aatomi ehituse skeem
Keemiliste elementide aatomite struktuuri edasine keerukus tuleneb prootonite ja neutronite arvu suurenemisest nende aatomite tuumades ja samal ajal ka tuumade ümber pöörlevate elektronide arvu suurenemise tõttu (joonis 4). ). Elementide perioodilise tabeli abil on lihtne määrata elektronide, prootonite ja neutronite arvu, millest erinevad aatomid moodustavad.
Riis. 4. Aatomituumade ehituse skeemid: 1 - heelium, 2 - süsinik, 3 - hapnik
Keemilise elemendi aatomarv võrdub aatomi tuumas paiknevate prootonite arvuga ja samal ajal ümber tuuma pöörlevate elektronide arvuga. Mis puutub aatommassi, siis see on ligikaudu võrdne aatomi massiarvuga, st tuumas ühendatud prootonite ja neutronite arvuga. Seega, lahutades elemendi aatommassist arvu, mis on võrdne elemendi aatomnumbriga, saab määrata, mitu neutronit antud tuumas sisaldub.
On kindlaks tehtud, et kergete keemiliste elementide tuumad, mis sisaldavad võrdsel arvul prootoneid ja neutroneid, erinevad suuresti suur jõud, kuna tuumajõud nendes on suhteliselt suured. Näiteks raske heeliumi aatomi tuum on äärmiselt tugev, kuna koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist, mis on omavahel ühendatud võimsate tuumajõudude poolt.
Raskemate keemiliste elementide aatomite tuumad sisaldavad ebavõrdselt palju prootoneid ja neutroneid, mistõttu on nende side tuumas nõrgem kui kergete keemiliste elementide tuumades. Nende elementide tuumad saab suhteliselt kergesti lõhestada, kui neid pommitatakse aatomi "mürskudega" (neutronid, heeliumi tuumad jne).
Mis puudutab kõige raskemaid keemilisi elemente, eriti radioaktiivseid, siis nende tuumad on nii nõrgad, et lagunevad spontaanselt oma koostisosadeks. Näiteks 88 prootoni ja 138 neutroni kombinatsioonist koosneva radioaktiivse elemendi raadiumi aatomid lagunevad spontaanselt, muutudes radioaktiivse elemendi radooni aatomiteks. Viimaste aatomid lagunevad omakorda oma koostisosadeks, muutudes teiste elementide aatomiteks.
Olles lühidalt üle vaadanud komponendid keemiliste elementide aatomite tuumad, arvestage aatomite elektrooniliste kestade ehitust. Nagu teada, saavad elektronid aatomituumade ümber pöörlema ainult rangelt määratletud orbiitidel. Veelgi enam, nad on iga aatomi elektronkihis nii rühmitatud, et saab eristada üksikuid elektronide kihte.
Iga kiht võib sisaldada teatud arvu elektrone, mis ei ületa rangelt määratletud arvu. Näiteks võib aatomi tuumale kõige lähemal asuvas esimeses elektronikihis olla maksimaalselt kaks elektroni, teises - mitte rohkem kui kaheksa elektroni jne.
Nendel aatomitel, mille välised elektronkihid on täielikult täidetud, on kõige stabiilsem elektronkiht. See tähendab, et see aatom hoiab kindlalt kõik oma elektronid ja ei pea väljastpoolt lisakogust vastu võtma. Näiteks heeliumi aatomil on kaks elektroni, mis täidavad täielikult esimese elektronikihi, ja neoonaatomil on kümme elektroni, millest kaks esimest täidavad täielikult esimese elektronkihi ja ülejäänud - teine (joonis 5).
Riis. 5. Neoonaatomi ehituse skeem
Järelikult on heeliumi ja neooni aatomitel täiesti stabiilsed elektroonilised kestad ja nad ei püüa neid kuidagi kvantitatiivselt muuta. Sellised elemendid on keemiliselt inertsed, see tähendab, et nad ei interakteeru keemiliselt teiste elementidega.
Enamikul keemilistel elementidel on aga aatomeid, mille välised elektronkihid ei ole täielikult elektronidega täidetud. Näiteks kaaliumiaatomil on üheksateist elektroni, millest kaheksateist täidavad täielikult esimesed kolm kihti ja üheksateistkümnes elektron on üksi järgmises, täitmata elektronikihis. Neljanda elektronkihi nõrk täitumine elektronidega viib selleni, et aatomi tuum hoiab väga nõrgalt kinni kõige välimise elektroni, üheksateistkümnenda elektroni ja seetõttu saab viimast kergesti aatomist välja rebida. .
Või näiteks hapnikuaatomil on kaheksa elektroni, millest kaks täidavad täielikult esimese kihi ja ülejäänud kuus asuvad teises kihis. Seega on hapnikuaatomi teise elektronikihi täielikuks ehitamiseks vaja ainult kahte elektroni. Seetõttu ei hoia hapnikuaatom mitte ainult kindlalt oma kuut elektroni teises kihis, vaid tal on ka võime meelitada kahte elektroni, mis tal puuduvad teise elektronkihi täitmiseks. Ta saavutab selle keemiliselt kombineerides elementide aatomitega, mille välised elektronid on nende tuumadega nõrgalt seotud.
Keemilised elemendid, mille aatomite välised elektronkihid ei ole täielikult elektronidega täidetud, on reeglina keemiliselt aktiivsed, see tähendab, et nad astuvad kergesti keemilistesse interaktsioonidesse.
Niisiis, elektronid keemiliste elementide aatomites paiknevad rangelt kindlas järjekorras ja igasugune muutus nende ruumilises paigutuses või koguses aatomi elektronkihis toob kaasa muutuse füüsilised ja keemilised omadused viimane.
Elektronide ja prootonite arvu võrdsus aatomisüsteemis on põhjus, miks selle kogu elektrilaeng on null. Kui rikutakse elektronide ja prootonite arvu võrdsust aatomisüsteemis, muutub aatom elektriliselt laetud süsteemiks.
Iooniks nimetatakse aatomit, mille süsteemis on vastandlike elektrilaengute tasakaal häiritud seetõttu, et ta on kaotanud osa oma elektronidest või, vastupidi, omandanud neid liigse koguse.
Vastupidi, kui aatom saab mõned täiendavad elektronid, muutub see negatiivseks iooniks. Näiteks klooriaatom, mis on saanud ühe lisaelektroni, muutub ühekordselt laetud negatiivseks klooriiooniks Cl -. Kaks täiendavat elektroni saanud hapnikuaatom muutub kahekordse laenguga negatiivseks hapnikuiooniks O jne.
Iooniks muutunud aatom muutub suhtes väliskeskkond elektriliselt laetud süsteem. See tähendab, et aatomil hakkas tekkima elektriväli, millega koos ta moodustab ühtse materiaalse süsteemi ja selle välja kaudu teostab elektrilist interaktsiooni teiste elektriliselt laetud aineosakestega – ioonide, elektronide, positiivselt laetud aatomituumadega jne.
Erinevalt ioonidest vastastikku üksteise külge tõmbumine on põhjus, miks nad keemiliselt ühinevad, moodustades keerukamaid aineosakesi - molekule.
Kokkuvõtteks tuleb märkida, et aatomi mõõtmed on väga suured võrreldes nende materjaliosakeste mõõtmetega, millest nad koosnevad. Kõige keerulisema aatomi tuum koos kõigi elektronidega hõivab miljardindiku aatomi mahust. Lihtne arvutus näitab, et kui ühe kuupmeetri plaatinat saaks nii tihedalt kokku suruda, et aatomisisesed ja aatomitevahelised ruumid kaoksid, oleks ruumala võrdne ligikaudu ühe kuupmillimeetriga.
- Tõlge
Iga aatomi keskmes on tuum, väike osakeste kogum, mida nimetatakse prootoniteks ja neutroniteks. Selles artiklis uurime prootonite ja neutronite olemust, mis koosnevad veelgi väiksematest osakestest – kvarkidest, gluoonidest ja antikvarkidest. (Gluoonid, nagu ka footonid, on nende endi antiosakesed.) Kvargid ja gluoonid võivad meile teadaolevalt olla tõeliselt elementaarsed (jagamatud ega koosne millestki väiksemast). Aga neile hiljem.
Üllataval kombel on prootonitel ja neutronitel peaaegu sama mass – täpsusega protsendi piires:
- 0,93827 GeV/c 2 prootoni jaoks,
- 0,93957 GeV/c 2 neutroni puhul.
Kuna need on nii sarnased ja kuna need osakesed moodustavad tuumad, nimetatakse prootoneid ja neutroneid sageli nukleoniteks.
Prootonid tuvastati ja kirjeldati 1920. aasta paiku (kuigi need avastati varem; vesinikuaatomi tuum on vaid üks prooton), neutronid avastati 1933. aasta paiku. Peaaegu kohe saadi aru, et prootonid ja neutronid on üksteisega nii sarnased. Kuid asjaolu, et nende mõõdetav suurus on võrreldav tuuma suurusega (umbes 100 000 korda väiksem kui aatomi raadius), oli teada alles 1954. aastal. Et need koosnevad kvarkidest, antikvarkidest ja gluoonidest, saadi järk-järgult aru 1960. aastate keskpaigast kuni 1970. aastate keskpaigani. 70. aastate lõpuks ja 80. aastate alguseks oli meie arusaam prootonitest, neutronitest ja sellest, millest need koosnevad, suures osas paika loksunud ning on sellest ajast peale jäänud muutumatuks.
Nukleone on palju raskem kirjeldada kui aatomeid või tuumasid. Mitte öelda, et aatomid on põhimõtteliselt lihtsad, kuid vähemalt võib mõtlemata öelda, et heeliumi aatom koosneb kahest elektronist, mis tiirlevad ümber tillukese heeliumi tuuma; ja heeliumi tuum on üsna lihtne kahe neutroni ja kahe prootoni rühm. Kuid nukleonidega pole kõik nii lihtne. Kirjutasin juba artiklis “Mis on prooton ja mis on selle sees?”, et aatom on nagu elegantne menuett, nukleon aga metsik pidu.
Prootoni ja neutroni keerukus näib olevat ehtne ega tulene mittetäielikust füüsilised teadmised. Meil on võrrandid, mida kasutatakse kvarkide, antikvarkide ja gluoonide ning nendevahelise tugeva tuuma vastasmõju kirjeldamiseks. Neid võrrandeid nimetatakse kvantkromodünaamikast QCD-ks. Võrrandite täpsust saab kontrollida erinevatel viisidel, sealhulgas suure hadronite põrkeseadmes ilmuvate osakeste arvu mõõtmine. Ühendades QCD võrrandid arvutiga ja tehes arvutusi prootonite ja neutronite ning muude sarnaste osakeste (nimetatakse ühiselt "hadroniteks") omaduste kohta, saame nende osakeste omaduste ennustused, mis on lähedased reaalses maailmas tehtud vaatlustele. Seetõttu on meil põhjust arvata, et QCD võrrandid ei valeta ning et meie teadmised prootoni ja neutroni kohta põhinevad õigetel võrranditel. Kuid ainult õigete võrrandite olemasolust ei piisa, sest:
- U lihtsad võrrandid võib osutuda vägagi komplekssed lahendused,
- Mõnikord on keerukaid otsuseid võimatu lihtsalt kirjeldada.
Nukleonidele omase keerukuse tõttu peate teie, lugeja, tegema valiku: kui palju soovite kirjeldatud keerukuse kohta teada? Ükskõik kui kaugele te ka ei läheks, suure tõenäosusega see teile rahulolu ei paku: mida rohkem õpite, seda selgemaks teema saab, kuid lõplik vastus jääb samaks – prooton ja neutron on väga keerulised. Võin teile pakkuda kolme mõistmise taset, mille üksikasjad on suurenevad; võite pärast mis tahes taset peatuda ja liikuda edasi muude teemade juurde või sukelduda kuni viimaseni. Iga tase tekitab küsimusi, millele saan järgmisel osaliselt vastata, aga uued vastused tekitavad uusi küsimusi. Lõppkokkuvõttes - nagu ma teen professionaalsetes aruteludes kolleegide ja edasijõudnutega - saan teile viidata ainult reaalsete katsete käigus saadud andmetele, erinevatele mõjukatele teoreetilistele argumentidele ja arvutisimulatsioonidele.
Esimene mõistmise tase
Millest koosnevad prootonid ja neutronid?Riis. 1: prootonite liiga lihtsustatud versioon, mis koosneb ainult kahest üles- ja ühest alla-kvargist ning neutronitest, mis koosnevad ainult kahest alla- ja ühest üles-kvargist
Asjade lihtsustamiseks näitavad paljud raamatud, artiklid ja veebisaidid, et prootonid koosnevad kolmest kvargist (kaks üles kvarki ja üks alla kvark) ja joonistavad midagi sellist, nagu joonisel fig. 1. Neutron on sama, koosneb ainult ühest üles- ja kahest allapoole suunatud kvargist. See lihtne pilt illustreerib seda, mida mõned teadlased uskusid, enamasti 1960. aastatel. Kuid peagi sai selgeks, et see seisukoht oli niivõrd ülelihtsustatud, et see polnud enam õige.
Keerulisematest teabeallikatest saate teada, et prootonid koosnevad kolmest kvargist (kaks üles ja üks alla), mida hoiavad koos gluoonid – ja võib ilmuda joonisele 1 sarnane pilt. 2, kus gluoonid on tõmmatud vedrude või nööridena, mis hoiavad kvarke. Neutronid on samad, ainult ühe üles- ja kahe alla kvargiga.
Riis. 2: täiustamine joon. 1, kuna rõhutatakse prootonis kvarke hoidva tugeva tuumajõu olulist rolli
See polegi nii halb viis nukleonide kirjeldamiseks, kuna see rõhutab tugeva tuumajõu olulist rolli, mis hoiab kvarke prootonis gluoonide arvelt (nagu on valgust moodustav osakese footon seotud elektromagnetiline jõud). Kuid see on ka segane, sest see ei selgita tegelikult, mis on gluoonid või mida nad teevad.
On põhjust kirjeldada asju nii nagu mina: prooton koosneb kolmest kvargist (kaks üles ja üks alla), hunnikust gluoonidest ja mäest kvark-antikvark paaridest (enamasti üles ja alla kvarkid, kuid on ka paar imelikku) . Nad kõik lendavad edasi-tagasi väga suure kiirusega (lähenedes valguse kiirusele); kogu seda komplekti hoiab koos tugev tuumajõud. Näitasin seda joonisel fig. 3. Neutronid on jällegi samad, kuid ühe üles- ja kahe alla kvargiga; Oma identiteeti muutnud kvarki tähistab nool.
Riis. 3: realistlikum, kuigi siiski ebatäiuslik prootonite ja neutronite esitus
Need kvargid, antikvargid ja gluoonid mitte ainult ei torma metsikult edasi-tagasi, vaid põrkuvad ka üksteisega ja muutuvad üksteiseks selliste protsesside kaudu nagu osakeste annihilatsioon (milles sama tüüpi kvark ja antikvark muutuvad kaheks gluooniks, või vastupidi) või gluooni absorptsioon ja emissioon (milles kvark ja gluoon võivad kokku põrgata ning tekitada kvarki ja kaks gluooni või vastupidi).
Mis on neil kolmel kirjeldusel ühist:
- Kaks üles kvarki ja alla kvarki (pluss midagi muud) prootoni jaoks.
- Neutronil on üks üles kvark ja kaks alla kvarki (pluss midagi muud).
- Neutronite "midagi muud" langeb kokku prootonite "millegi muuga". See tähendab, et nukleonitel on sama "midagi muud".
- Prootoni ja neutroni väike massierinevus ilmneb alla- ja üles-kvargi masside erinevuse tõttu.
- tippkvarkide elektrilaeng on võrdne 2/3 e (kus e on prootoni laeng, -e on elektroni laeng),
- põhjakvarkide laeng on -1/3e,
- gluoonide laeng on 0,
- mis tahes kvargi ja sellele vastava antikvargi kogulaeng on 0 (näiteks antidown kvargi laeng on +1/3e, seega on down-kvargi ja down-kvargi laeng –1/3 e +1/3 e = 0),
- prootoni kogu elektrilaeng on 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- neutroni summaarne elektrilaeng on 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- kui palju "midagi muud" on nukleonis,
- mis see seal teeb
- kust pärineb nukleoni mass ja massienergia (E = mc 2, seal olev energia ka siis, kui osake on puhkeolekus).
Riis. 1 ütleb, et kvargid moodustavad sisuliselt kolmandiku nukleonist, sarnaselt prootoni või neutroniga veerand heeliumi tuumast või 1/12 süsiniku tuumast. Kui see pilt oleks tõsi, liiguksid kvargid nukleonis suhteliselt aeglaselt (valgusest palju aeglasema kiirusega) ja nende vahel toimiks suhteliselt nõrk interaktsioon (ehkki mõne võimsa jõuga, mis neid paigal hoiab). Kvargi mass üles ja alla oleks siis suurusjärgus 0,3 GeV/c 2 ehk umbes kolmandik prootoni massist. Kuid see lihtne kujutluspilt ja selle pealesurutud ideed on lihtsalt valed.
Riis. 3. annab hoopis teistsuguse ettekujutuse prootonist kui selles valguslähedase kiirusega ringi vuravast osakeste padast. Need osakesed põrkuvad üksteisega ja nendes kokkupõrgetes osa neist hävib ja teised tekivad nende asemele. Gluoonidel puudub mass, ülemiste kvarkide massid on suurusjärgus 0,004 GeV/c 2 ja põhjakvarkide massid suurusjärgus 0,008 GeV/c 2 – sadu kordi vähem kui prootonil. Kust prootoni massi energia pärineb, on keeruline küsimus: osa sellest tuleb kvarkide ja antikvarkide massi energiast, osa kvarkide, antikvarkide ja gluoonide liikumisenergiast ning osa (võib-olla positiivne, võib-olla negatiivne). ) tugevas tuuma vastasmõjus salvestatud energiast, hoides koos kvarke, antikvarke ja gluuone.
Teatud mõttes on joonis fig. 2 püüab lahendada erinevust joonise fig. 1 ja fig. 3. See lihtsustab joonist. 3, eemaldades paljud kvark-antikvark paarid, mida võib põhimõtteliselt nimetada lühiajalisteks, kuna need ilmuvad ja kaovad pidevalt ning pole vajalikud. Kuid see jätab mulje, et nukleonides olevad gluoonid on otsene osa tugevast tuumajõust, mis hoiab prootoneid koos. Ja see ei selgita, kust prootoni mass pärineb.
Joonisel fig. 1 on lisaks prootoni ja neutroni kitsastele raamidele veel üks puudus. See ei selgita teiste hadronite, näiteks pioni ja rho mesoni mõningaid omadusi. Joonisel on samad probleemid. 2.
Need piirangud viisid selleni, et annan oma õpilastele ja oma veebisaidile pildi jooniselt 1. 3. Kuid ma tahan teid hoiatada, et sellel on ka palju piiranguid, millest räägin hiljem.
Väärib märkimist, et joonisel fig. 3 eeldatakse objektilt, mida hoiab koos nii võimas jõud kui tugev tuumajõud. Ja veel üks asi: kolme kvarki (prootoni jaoks kaks üles ja üks allapoole), mis ei kuulu kvark-antikvark paaride rühma, nimetatakse sageli "valentskvarkideks" ja kvark-antikvark paare nimetatakse "mereks". kvargipaarid”. Selline keel on paljudel juhtudel tehniliselt mugav. Kuid see jätab eksliku mulje, et kui saaksite vaadata prootoni sisse ja vaadata konkreetset kvarki, saaksite kohe aru, kas see on osa merest või valents. Seda ei saa teha, sellist võimalust lihtsalt pole.
Prootoni mass ja neutronimass
Kuna prootoni ja neutroni massid on nii sarnased ning kuna prootonid ja neutronid erinevad ainult selle poolest, et ülemine kvark on asendatud alla kvargiga, siis tundub tõenäoline, et nende massid saadakse samal viisil, pärinevad samast allikast. ja nende erinevus seisneb väikeses erinevuses üles- ja allapoole suunatud kvarkide vahel. Kuid ülaltoodud kolm joonist näitavad kolme väga erineva vaate olemasolu prootoni massi päritolu kohta.Riis. 1 ütleb, et üles ja alla kvargid moodustavad lihtsalt 1/3 prootoni ja neutroni massist: suurusjärgus 0,313 GeV/c 2 või kvarkide prootonis hoidmiseks vajaliku energia tõttu. Ja kuna prootoni ja neutroni masside vahe on protsendi murdosa, peab ka üles- ja allapoole kvargi masside vahe olema protsendi murdosa.
Riis. 2 on vähem selge. Kui suur osa prootonite massist on tingitud gluoonidest? Kuid põhimõtteliselt tuleneb joonisest, et suurem osa prootonite massist pärineb ikkagi kvarkide massist, nagu joonisel fig. 1.
Riis. 3 peegeldab nüansirikkamat lähenemist sellele, kuidas prootoni mass tegelikult tekib (nagu saame testida otse prootoni arvutiarvutuste kaudu ja kaudselt muid matemaatilisi meetodeid kasutades). See erineb oluliselt joonisel fig. 1 ja 2 ning selgub, et see polegi nii lihtne.
Et mõista, kuidas see toimib, tuleb mõelda mitte prootoni massile m, vaid selle massienergiale E = mc 2 ehk massiga seotud energiale. Kontseptuaalselt pole õige küsimus mitte "kust tuleb prootoni m mass", mille järel saate arvutada E, korrutades m arvuga c 2, vaid vastupidi: "kust tuleb prootoni massi E energia? ” mille järel saad arvutada massi m, jagades E arvuga c 2 .
Prootoni massienergia panused on kasulik liigitada kolme rühma:
A) Selles sisalduvate kvarkide ja antikvarkide massienergia (puhkeenergia) (gluoonid, massita osakesed ei anna mingit panust).
B) Kvarkide, antikvarkide ja gluoonide liikumisenergia (kineetiline energia).
C) Prootonit hoidvas tugevas tuuma interaktsioonis (täpsemalt gluooniväljades) talletatud interaktsioonienergia (sidumisenergia või potentsiaalne energia).
Riis. 3 näitab, et prootoni sees olevad osakesed liiguvad suure kiirusega ja see on täis massita gluoone, seega on B) panus suurem kui A). Tavaliselt osutuvad enamikus füüsilistes süsteemides B) ja C) võrreldavaks, samas kui C) on sageli negatiivne. Seega pärineb prootoni (ja neutroni) massienergia peamiselt B) ja C kombinatsioonist, kusjuures A) annab väikese osa. Seetõttu ei ilmne prootoni ja neutroni massid peamiselt mitte neis sisalduvate osakeste masside tõttu, vaid nende osakeste liikumisenergiate ja nende vastasmõju energia tõttu, mis on seotud gluooniväljadega, mis genereerivad jõude, mis hoiavad osakesi. prooton. Enamikus teistes meile tuttavates süsteemides jaotub energiabilanss erinevalt. Näiteks aatomites ja sisse Päikesesüsteem A) domineerib ning B) ja C) on palju väiksemad ja suurusjärgus võrreldavad.
Kokkuvõtteks juhime tähelepanu sellele, et:
- Riis. 1 eeldab, et prootoni massienergia pärineb panusest A).
- Riis. 2 eeldab, et mõlemad panused A) ja B) on olulised, kusjuures B) annab väikese panuse.
- Riis. 3 viitab sellele, et B) ja C) on olulised ning A) panus osutub ebaoluliseks.
Kui joon. 3 ei valeta, kvargi ja antikvargi massid on väga väikesed. Millised nad tegelikult on? Tippkvargi (nagu ka antikvargi) mass ei ületa 0,005 GeV/c 2, mis on palju väiksem kui 0,313 GeV/c 2, mis tuleneb jooniselt fig. 1. (Üleskvargi massi on raske mõõta ja see varieerub peente mõjude tõttu, seega võib see olla palju väiksem kui 0,005 GeV/c2). Põhjakvargi mass on ligikaudu 0,004 GeV/s 2 suurem kui ülemise kvargi mass. See tähendab, et ühegi kvargi või antikvargi mass ei ületa üht protsenti prootoni massist.
Pange tähele, et see tähendab (vastupidiselt joonisele 1), et allakvargi ja üles kvargi massi suhe ei lähene ühtsusele! Down-kvargi mass on vähemalt kaks korda suurem kui up-kvargi mass. Põhjus, miks neutroni ja prootoni massid on nii sarnased, ei seisne selles, et üles- ja allapoole kvarkide massid on sarnased, vaid seetõttu, et üles- ja allapoole kvarkide massid on väga väikesed – ja nende vaheline erinevus on väike, suhteline. prootoni ja neutroni massidele. Pidage meeles, et prootoni neutroniks muutmiseks peate lihtsalt asendama ühe selle üles kvarki alla kvargiga (joonis 3). Sellest asendusest piisab, et muuta neutron prootonist veidi raskemaks ja muuta selle laeng +e-lt 0-ks.
Muide, asjaolu, et mitmesugused osakesed sees prootonid põrkuvad üksteisega ja pidevalt ilmuvad ja kaovad, ei mõjuta asju, mida me arutame - energia säilib iga kokkupõrke korral. Kvarkide ja gluoonide massienergia ja liikumisenergia võivad muutuda, nagu ka nende vastasmõju energia, kuid prootoni koguenergia ei muutu, kuigi kõik selle sees muutub pidevalt. Seega jääb prootoni mass konstantseks, hoolimata selle sisemisest keerisest.
Sel hetkel saate peatuda ja saadud teavet absorbeerida. Hämmastav! Peaaegu kogu tavaaines sisalduv mass pärineb aatomites olevate nukleonide massist. Ja suurem osa sellest massist pärineb prootonile ja neutronile omasest kaosest – kvarkide, gluoonide ja antikvarkide liikumisenergiast nukleonides ning tugevate tuumainteraktsioonide energiast, mis hoiavad nukleoni kogu olekus. Jah: meie planeet, meie kehad, meie hingeõhk on sellise vaikse ja kuni viimase ajani kujuteldamatu pandemoonia tagajärg.
Aatomite suurused ja massid on väikesed. Aatomite raadius on 10 -10 m ja tuuma raadius 10 -15 m. Aatomi mass määratakse, jagades elemendi ühe mooli aatomite massi aatomite arvuga 1 moolis (NA = 6,02·10 23 mol -1). Aatomite mass varieerub vahemikus 10–27–10–25 kg. Tavaliselt väljendatakse aatomite massi aatommassi ühikutes (amu). A.u.m. Võetakse 1/12 süsiniku isotoobi 12 C aatomi massist.
Aatomi peamised omadused on selle tuuma laeng (Z) ja massiarv (A). Elektronide arv aatomis on võrdne selle tuuma laenguga. Aatomite omadused määravad ära nende tuumade laeng, elektronide arv ja olek aatomis.
Tuuma põhiomadused ja struktuur (aatomituumade koostise teooria)
1. Kõikide elementide (v.a vesinik) aatomituumad koosnevad prootonitest ja neutronitest.
2. Prootonite arv tuumas määrab selle positiivse laengu väärtuse (Z). Z- keemilise elemendi seerianumber Mendelejevi perioodilises süsteemis.
3. Prootonite ja neutronite koguarv on selle massi väärtus, kuna aatomi mass on põhiliselt koondunud tuumasse (99,97% aatomi massist). Tuumaosakesi – prootoneid ja neutroneid – nimetatakse ühiselt nukleonid(ladina sõnast nucleus, mis tähendab "tuum"). Nukleonide koguarv vastab massiarvule, s.o. selle aatommass A ümardatuna lähima täisarvuni.
Südamikud samaga Z, kuid erinev A kutsutakse isotoobid. Südamikud, et samaga A on erinevad Z, kutsutakse isobaarid. Kokku on teada umbes 300 keemiliste elementide stabiilset isotoopi ja üle 2000 loodusliku ja kunstlikult toodetud radioaktiivse isotoobi.
4. Neutronite arv tuumas N võib leida massinumbri ( A) ja seerianumber ( Z):
5. Tuuma suurust iseloomustatakse südamiku raadius, millel on tuumapiiri hägustumise tõttu tinglik tähendus.
Tuumaaine tihedus on suurusjärgus 10 17 kg/m 3 ja on kõigi tuumade puhul konstantne. See ületab oluliselt kõige tihedamate tavaliste ainete tihedust.
Prooton-neutroniteooria võimaldas lahendada varem tekkinud vastuolud ideedes aatomituumade koostise ja selle seose kohta aatomarvu ja aatommassiga.
Tuuma sidumisenergia Selle määrab töö hulk, mida tuleb teha tuuma jagamiseks selle koostisosadeks nukleonideks, andmata neile kineetilist energiat. Energia jäävuse seadusest järeldub, et tuuma moodustumisel peab eralduma sama palju energiat, mis kulub tuuma lagunemisel selle moodustavateks nukleoniteks. Tuuma sidumisenergia on kõigi tuuma moodustavate vabade nukleonide energia ja tuumas leiduva energia vahe.
Tuuma moodustumisel selle mass väheneb: tuuma mass on väiksem kui selle koostisosade nukleonide masside summa. Tuuma massi vähenemine selle moodustumise ajal on seletatav sidumisenergia vabanemisega. Kui W sv on tuuma moodustumisel vabanev energia hulk, siis vastav mass Dm, võrdne
helistas massiviga ja iseloomustab kogumassi vähenemist tuuma moodustamisel selle moodustavatest nukleonitest. Üks aatommassiühik vastab aatomienergia ühik(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.
Spetsiifiline tuuma sidumisenergia w Sidumisenergiat nukleoni kohta nimetatakse: w sv= 
. Suurusjärk w keskmiselt 8 MeV/nukleon. Nukleonide arvu suurenemisega tuumas spetsiifiline energiaühendused vähenevad.
Aatomituumade stabiilsuse kriteerium on prootonite ja neutronite arvu suhe stabiilses tuumas antud isobaaride korral. ( A= konst).
Tuumajõud
1. Tuuma interaktsioon näitab, et on olemas spetsiaalsed tuumajõud, mida ei saa taandada ühelegi klassikalises füüsikas tuntud jõutüübile (gravitatsiooniline ja elektromagnetiline).
2. Tuumajõud on lühimaajõud. Need esinevad ainult väga väikestel kaugustel nukleonide vahel tuumas suurusjärgus 10-15 m Pikkus (1,5 x 2,2)10-15 m on nn. tegevuse ulatus tuumajõud .
3. Tuumajõud tuvastatakse laengu sõltumatus: Kahe nukleoni vaheline tõmbejõud on sama sõltumata nukleonide laenguseisundist - prooton või nukleon. Tuumajõudude laengust sõltumatus ilmneb sidumisenergiate võrdlusest peegli südamikud. Nii nimetatakse tuumasid, milles nukleonide koguarv on sama, kuid ühes on prootonite arv võrdne neutronite arvuga teises. Näiteks heeliumi tuumad 
raske vesinik triitium - .
4. Tuumajõududel on küllastusomadus, mis väljendub selles, et tuumas olev nukleon interakteerub vaid piiratud arvu talle kõige lähemal asuvate naabernukleonidega. Seetõttu on tuumade sidumisenergia lineaarne sõltuvus nende massiarvust (A). Tuumajõudude peaaegu täielik küllastumine saavutatakse a-osakeses, mis on väga stabiilne moodustis.
Radioaktiivsus, g-kiirgus, a ja b - lagunemine
1.Radioaktiivsus on ühe keemilise elemendi ebastabiilsete isotoopide muundumine teise elemendi isotoopideks, millega kaasneb elementaarosakeste, tuumade või kõva röntgenikiirgus. Looduslik radioaktiivsus nimetatakse radioaktiivsuseks, mida täheldatakse looduslikult esinevates ebastabiilsetes isotoopides. Kunstlik radioaktiivsus nimetatakse tuumareaktsioonide tulemusena saadud isotoopide radioaktiivsuseks.
2. Tavaliselt kaasneb igat tüüpi radioaktiivsusega gammakiirguse emissioon – kõva lühilaineline elektrilainekiirgus. Gammakiirgus on radioaktiivsete transformatsioonide ergastatud produktide energia vähendamise peamine vorm. Radioaktiivset lagunemist läbivat tuuma nimetatakse emalik; tekkimas tütarettevõte tuum osutub reeglina erutatuks ja selle üleminekuga põhiolekusse kaasneb g-footoni emissioon.
3. Alfa lagunemine nimetatakse a-osakeste emissiooniks mõnede keemiliste elementide tuumade poolt. Alfa lagunemine on massinumbritega raskete tuumade omadus A>200 ja tuumalaengud Z>82. Selliste tuumade sees toimub isoleeritud a-osakeste teke, millest igaüks koosneb kahest prootonist ja kahest neutronist, s.o. tekib tabelis nihkunud elemendi aatom perioodilisustabel elemendid D.I. Mendelejev (PSE) kaks kambrit algsest radioaktiivsest elemendist vasakul massiarvuga alla 4 ühiku(Soddy-Faience'i reegel): 
4. Mõiste beeta-lagunemine viitab kolme tüüpi tuumatransformatsioonidele: elektrooniline(b-) ja positrooniline(b+) laguneb, samuti elektrooniline püüdmine.
b-lagunemine toimub valdavalt tuumades, mis on suhteliselt neutronirikkad. Sel juhul laguneb tuuma neutron nulllaengu ja massiga prootoniks, elektroniks ja antineutriinoks ().
B-lagunemise ajal isotoobi massiarv ei muutu, kuna prootonite ja neutronite koguarv säilib ning laeng suureneb 1 võrra. tekkiva keemilise elemendi aatom nihutatakse PSE poolt algelemendist ühe raku võrra paremale, kuid selle massiarv ei muutu(Soddy-Faience'i reegel):
b+- lagunemine toimub valdavalt suhteliselt prootonirikastes tuumades. Sel juhul laguneb tuuma prooton neutroniks, positroniks ja neutriinoks ().
.
B+ lagunemise ajal isotoobi massiarv ei muutu, kuna prootonite ja neutronite koguarv säilib ning laeng väheneb 1 võrra. tekkiva keemilise elemendi aatom nihutatakse PSE poolt algelemendist ühe raku võrra vasakule, kuid selle massiarv ei muutu(Soddy-Faience'i reegel):
5. Elektronide püüdmise korral seisneb transformatsioon tuumale lähimas kihis oleva ühe elektroni kadumises. Prooton, muutudes neutroniks, “püüab” elektroni; Siit pärineb mõiste "elektrooniline püüdmine". Elektrooniline püüdmine, erinevalt b±-hõivest, kaasneb iseloomuliku röntgenikiirgusega.
6. b-lagunemine toimub nii looduslikult radioaktiivsetes kui ka kunstlikult radioaktiivsetes tuumades; b+ lagunemine on iseloomulik ainult kunstliku radioaktiivsuse nähtusele.
7. g-kiirgus: ergastatuna kiirgab aatomi tuum elektromagnetiline kiirgus lühikese lainepikkuse ja kõrge sagedusega, millel on suurem jäikus ja läbitungiv jõud kui röntgenikiirtel. Selle tulemusena väheneb tuuma energia, kuid tuuma massiarv ja laeng jäävad muutumatuks. Seetõttu ei täheldata keemilise elemendi muutumist teiseks ja aatomi tuum läheb vähem ergastatud olekusse.
Prooton on stabiilne osake hadronite klassist, vesinikuaatomi tuum.
Raske on öelda, millist sündmust tuleks pidada prootoni avastamiseks: vesinikioonina on see ju ammu teada. Aatomi planetaarse mudeli loomine E. Rutherfordi poolt (1911), isotoopide avastamine (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) ja tuumadest välja löödud vesiniku tuumade vaatlemine. alfaosakesed mängisid prootoni lämmastiku avastamisel rolli (E. Rutherford, 1919). 1925. aastal sai P. Blackett esimesed fotod prootoni jälgedest pilvekambris (vt Tuumakiirguse detektorid), mis kinnitavad elementide kunstliku muundamise avastamist. Nendes katsetes püüdis β-osakeste kinni lämmastiku tuum, mis kiirgas prootonit ja muutus hapniku isotoobiks.
Koos neutronitega moodustavad prootonid kõigi keemiliste elementide aatomituumad ja prootonite arv tuumas määrab aatomarvu sellest elemendist. Prootonil on positiivne elektrilaeng, mis on võrdne elementaarlaenguga, st elektroni laengu absoluutväärtusega. Seda on katseliselt testitud täpsusega 10-21. Prootoni mass mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV ehk ~ 1,6-10-24 g, st prooton on 1836 korda raskem kui elektron! Tänapäeva vaatenurgast ei ole prooton päris elementaarosake: see koosneb kahest u-kvargist elektrilaenguga +2/3 (elementaarlaengu ühikutes) ja ühest d-kvargist elektrilaenguga -1/3. Kvargid on omavahel seotud teiste hüpoteetiliste osakeste – gluoonide, tugevat vastastikmõju kandva välja kvantide – vahetuse kaudu. Andmed katsetest, milles vaadeldi prootonite elektronide hajumise protsesse, näitavad tõepoolest punkthajumiskeskuste olemasolu prootonite sees. Need katsed on teatud mõttes väga sarnased Rutherfordi katsetega, mis viisid aatomituuma avastamiseni. Olles liitosake, on prootoni lõplik suurus ~ 10-13 cm, kuigi loomulikult ei saa seda kujutada tahke kuulina. Pigem meenutab prooton häguse piiriga pilve, mis koosneb loodud ja hävitavatest virtuaalosakestest.Prooton, nagu kõik hadronid, osaleb igas põhilised vastasmõjud. Niisiis. tugev vastastikmõju seob tuumades prootoneid ja neutroneid, elektromagnetilised vastasmõjud seovad aatomites prootoneid ja elektrone. Nõrkade interaktsioonide näideteks on neutroni beeta-lagunemine või prootoni tuumasisene muundumine neutroniks koos positroni ja neutriino emissiooniga (vaba prootoni puhul on selline protsess energia jäävuse ja muundamise seaduse tõttu võimatu, kuna neutronil on veidi suurem mass). Prootoni spin on 1/2. Pooltäisarvulise pöörlemisega hadroneid nimetatakse barüoniteks (kreeka sõnast, mis tähendab "raske"). Barüonite hulka kuuluvad prooton, neutron, erinevad hüperonid (?, ?, ?, ?) ja hulk osakesi uute kvantarvudega, millest enamikku pole veel avastatud. Barüonide iseloomustamiseks võeti kasutusele spetsiaalne arv - barüoni laeng, mis on võrdne 1-ga barüonide jaoks, - 1 - antibarüonide jaoks ja O - kõigi teiste osakeste jaoks. Barüonlaeng ei ole barüonivälja allikas; see võeti kasutusele ainult osakestega reaktsioonides täheldatud mustrite kirjeldamiseks. Neid mustreid väljendatakse barüoni laengu jäävuse seaduse kujul: barüonide ja antibarüonide arvu erinevus süsteemis säilib igas reaktsioonis. Barüonilaengu säilimine muudab prootoni lagunemise võimatuks, kuna see on barüonitest kõige kergem. See seadus on olemuselt empiiriline ja loomulikult tuleb seda katsetada. Barüoni laengu jäävuse seaduse täpsust iseloomustab prootoni stabiilsus, mille eluea eksperimentaalne hinnang annab väärtuseks mitte vähem kui 1032 aastat.
Samal ajal ennustavad igat tüüpi fundamentaalseid interaktsioone ühendavad teooriad protsesse, mis viivad barüoni laengu katkemiseni ja prootoni lagunemiseni. Prootoni eluiga sellistes teooriates ei ole väga täpselt näidatud: ligikaudu 1032 ± 2 aastat. See aeg on tohutu, see on kordades pikem kui Universumi olemasolu (~ 2*1010 aastat). Seetõttu on prooton praktiliselt stabiilne, mis tegi võimalikuks keemiliste elementide tekke ja lõpuks intelligentse elu tekkimise. Prootoni lagunemise otsimine on aga praegu üks tähtsamaid ülesandeid eksperimentaalne füüsika. Prootonite elueaga ~ 1032 aastat veemahus 100 m3 (1 m3 sisaldab ~ 1030 prootonit) tuleks oodata üks prootoni lagunemine aastas. Jääb vaid see lagunemine registreerida. Prootonite lagunemise avastamine on oluline samm loodusjõudude ühtsuse õige mõistmise suunas.
Neutron on hadronite klassi kuuluv neutraalne osake. Avastas 1932. aastal inglise füüsik J. Chadwick. Koos prootonitega on neutronid osa aatomituumadest. Elektrilaeng neutron qn on võrdne nulliga. Seda kinnitavad neutronkiire läbipaine laengu otsesed mõõtmised tugevates elektriväljades, mis näitasid, et |qn|<10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.
Neutronid on stabiilsed ainult stabiilsetes aatomituumades. Vaba neutron on ebastabiilne osake, mis laguneb prootoniks (p), elektroniks (e-) ja elektroni antineutriinoks. Neutroni eluiga on (917?14) s, s.o umbes 15 minutit. Aineses eksisteerivad neutronid vabal kujul veelgi vähem tänu nende tugevale neeldumisele tuumades. Seetõttu esinevad need looduses või tekivad laboris ainult tuumareaktsioonide tulemusena.
Erinevate tuumareaktsioonide energiabilansi põhjal määrati neutroni ja prootoni masside vahe: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Võrreldes seda prootoni massiga, saame neutronite massi: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; see vastab mn ~ 1,6-10-24 Neutron osaleb igat tüüpi fundamentaalsetes interaktsioonides. Tugev interaktsioon seob aatomituumades neutroneid ja prootoneid. Nõrga interaktsiooni näide on neutroni beeta-lagunemine.
Kas see neutraalne osake osaleb elektromagnetilistes vastasmõjudes? Neutronil on sisemine struktuur ja üldise neutraalsuse korral on selles elektrivoolud, mis põhjustavad eelkõige magnetmomendi ilmumist neutronis. Teisisõnu, magnetväljas käitub neutron nagu kompassinõel. See on vaid üks näide selle elektromagnetilisest interaktsioonist. Suurt huvi pälvis neutroni elektrilise dipoolmomendi otsimine, millele saadi ülempiir. Siin viisid kõige tõhusamad katsed läbi NSVL Teaduste Akadeemia Leningradi tuumafüüsika instituudi teadlased; Neutroni dipoolmomendi otsimine on oluline, et mõista invariantsi rikkumise mehhanisme aja ümberpööramisel mikroprotsessides.
Neutronite gravitatsioonilisi vastastikmõjusid täheldati otse nende Maa gravitatsiooniväljas esinemise põhjal.
Nüüd on aktsepteeritud tavapärane neutronite klassifikatsioon nende kineetilise energia järgi:
aeglased neutronid (<105эВ, есть много их разновидностей),
kiired neutronid (105?108eV), suure energiaga (> 108eV).
Väga aeglastel neutronitel (10-7 eV), mida nimetatakse ülikülmadeks neutroniteks, on väga huvitavad omadused. Selgus, et ülikülmad neutronid võivad akumuleeruda “magnetlõksudesse” ja nende spinnid on seal isegi kindlas suunas orienteeritud. Spetsiaalse konfiguratsiooniga magnetvälju kasutades eraldatakse ülikülmad neutronid neelavatest seintest ja võivad lõksus "elada" kuni lagunemiseni. See võimaldab neutronite omaduste uurimiseks teha palju peeneid katseid. Teine meetod ülikülmade neutronite säilitamiseks põhineb nende laineomadustel. Selliseid neutroneid saab lihtsalt hoida suletud "purgis". Seda mõtet väljendas Nõukogude füüsik Ya. B. Zeldovitš 1950. aastate lõpus ja esimesed tulemused saadi Dubnas Tuumauuringute Instituudis ligi kümmekond aastat hiljem.
Hiljuti õnnestus teadlastel ehitada anum, milles ülikülmad neutronid elavad kuni nende loomuliku lagunemiseni.
Vabad neutronid on võimelised aktiivselt suhtlema aatomituumadega, põhjustades tuumareaktsioone. Aeglaste neutronite interaktsiooni tulemusena ainega võib täheldada resonantsefekte, difraktsioonihajumist kristallides jne. Nende omaduste tõttu kasutatakse neutroneid laialdaselt tuumafüüsikas ja tahkisfüüsikas. Need mängivad olulist rolli tuumaenergeetikas, transuraani elementide ja radioaktiivsete isotoopide tootmisel ning leiavad praktilist rakendust keemilises analüüsis ja geoloogilises uuringus.
Mis on neutron? Mis on selle struktuur, omadused ja funktsioonid? Neutronid on aatomeid moodustavatest osakestest suurimad, kogu aine ehitusplokid.
Aatomi struktuur
Neutroneid leidub tuumas, aatomi tihedas piirkonnas, mis on samuti täidetud prootonitega (positiivselt laetud osakestega). Neid kahte elementi hoiab koos jõud, mida nimetatakse tuumaks. Neutronitel on neutraalne laeng. Prootoni positiivne laeng sobitatakse elektroni negatiivse laenguga, et luua neutraalne aatom. Kuigi tuumas olevad neutronid ei mõjuta aatomi laengut, on neil siiski palju aatomit mõjutavaid omadusi, sealhulgas radioaktiivsuse taset.
Neutronid, isotoobid ja radioaktiivsus
Aatomi tuumas asuv osake on neutron, mis on prootonist 0,2% suurem. Üheskoos moodustavad nad 99,99% sama elemendi kogumassist ja neil võib olla erinev arv neutroneid. Kui teadlased viitavad aatommassile, peavad nad silmas keskmist aatommassi. Näiteks süsinikul on tavaliselt 6 neutronit ja 6 prootonit aatommassiga 12, kuid mõnikord leidub seda ka 13 aatommassiga (6 prootonit ja 7 neutronit). Süsinik aatomnumbriga 14 on samuti olemas, kuid see on haruldane. Seega on süsiniku aatommass keskmiselt 12,011.
Kui aatomitel on erinev arv neutroneid, nimetatakse neid isotoopideks. Teadlased on leidnud viise, kuidas neid osakesi tuuma lisada, et luua suuremaid isotoope. Nüüd ei mõjuta neutronite lisamine aatomi laengut, kuna neil puudub laeng. Need aga suurendavad aatomi radioaktiivsust. Selle tulemuseks võivad olla väga ebastabiilsed aatomid, mis võivad eraldada suurel hulgal energiat.
Mis on tuum?
Keemias on tuum aatomi positiivselt laetud tsenter, mis koosneb prootonitest ja neutronitest. Sõna "tuum" pärineb ladina keelest tuumast, mis on sõna vorm, mis tähendab "pähklit" või "tuuma". Selle termini võttis 1844. aastal kasutusele Michael Faraday, et kirjeldada aatomi keskpunkti. Teadusi, mis on seotud tuuma uurimisega, selle koostise ja omaduste uurimisega, nimetatakse tuumafüüsikaks ja tuumakeemiaks.
Prootoneid ja neutroneid hoiab koos tugev tuumajõud. Elektronid tõmbavad tuuma poole, kuid liiguvad nii kiiresti, et nende pöörlemine toimub teatud kaugusel aatomi keskpunktist. Plussmärgiga tuumalaeng pärineb prootonitelt, aga mis on neutron? See on osake, millel puudub elektrilaeng. Peaaegu kogu aatomi kaal sisaldub tuumas, kuna prootonitel ja neutronitel on palju suurem mass kui elektronidel. Prootonite arv aatomituumas määrab selle identiteedi elemendina. Neutronite arv näitab, millise elemendi isotoobiga aatom on.
Aatomituuma suurus
Tuum on palju väiksem kui aatomi üldläbimõõt, kuna elektronid võivad olla tsentrist kaugemal. Vesiniku aatom on 145 000 korda suurem kui tema tuum ja uraani aatom on 23 000 korda suurem kui selle keskpunkt. Vesiniku tuum on väikseim, kuna koosneb ühest prootonist.
Prootonite ja neutronite paigutus tuumas
Prootoneid ja neutroneid kujutatakse tavaliselt kokku pakituna ja ühtlaselt sfäärideks jaotatuna. See on aga tegeliku struktuuri lihtsustamine. Iga nukleon (prooton või neutron) võib hõivata teatud energiataseme ja asukohavahemiku. Kuigi tuum võib olla sfääriline, võib see olla ka pirnikujuline, sfääriline või kettakujuline.
Prootonite ja neutronite tuumad on barüonid, mis koosnevad väikseimatest tuumadest, mida nimetatakse kvarkideks. Tõmbejõu ulatus on väga väike, seega peavad prootonid ja neutronid olema üksteisele väga lähedal, et olla seotud. See tugev külgetõmme ületab laetud prootonite loomuliku tõrjumise.
Prooton, neutron ja elektron
Sellise teaduse nagu tuumafüüsika arengule andis võimsa tõuke neutroni avastamine (1932). Peaksime selle eest tänama inglise füüsikut, kes oli Rutherfordi õpilane. Mis on neutron? See on ebastabiilne osake, mis võib vabas olekus laguneda prootoniks, elektroniks ja neutriinoks, nn massita neutraalseks osakeseks, vaid 15 minutiga.
Osake on saanud oma nime, kuna tal puudub elektrilaeng, ta on neutraalne. Neutronid on äärmiselt tihedad. Eraldatud olekus on ühe neutroni mass vaid 1,67·10–27 ja kui võtta teelusikatäis, mis on tihedalt neutroneid täis, kaalub tekkiv ainetükk miljoneid tonne.
Prootonite arvu elemendi tuumas nimetatakse aatomnumbriks. See number annab igale elemendile ainulaadse identiteedi. Mõne elemendi, näiteks süsiniku aatomites on prootonite arv tuumades alati sama, kuid neutronite arv võib varieeruda. Antud elemendi aatomit, mille tuumas on teatud arv neutroneid, nimetatakse isotoobiks.
Kas üksikud neutronid on ohtlikud?
Mis on neutron? See on osake, mis koos prootoniga sisaldub, kuid mõnikord võivad nad eksisteerida ka iseseisvalt. Kui neutronid on väljaspool aatomite tuuma, omandavad nad potentsiaalselt ohtlikud omadused. Kui nad liiguvad suurel kiirusel, tekitavad nad surmavat kiirgust. Niinimetatud neutronpommid, mis on tuntud oma võime poolest tappa inimesi ja loomi, avaldavad elututele füüsilistele struktuuridele minimaalset mõju.
Neutronid on aatomi väga oluline osa. Nende osakeste suur tihedus koos kiirusega annab neile äärmise hävitava jõu ja energia. Selle tulemusena võivad nad muuta või isegi lahti rebida tabatud aatomite tuumasid. Kuigi neutronil on neutraalne elektrilaeng, koosneb see laetud komponentidest, mis laengu suhtes üksteist tühistavad.
Aatomis olev neutron on väike osake. Nagu prootonid, on nad liiga väikesed, et neid isegi elektronmikroskoobiga näha, kuid nad on olemas, sest see on ainus viis aatomite käitumise selgitamiseks. Neutronid on aatomi stabiilsuse seisukohalt väga olulised, kuid väljaspool selle aatomikeskust ei saa nad kaua eksisteerida ja lagunevad keskmiselt vaid 885 sekundiga (umbes 15 minutiga).
