Toate corpurile fizice ale naturii sunt construite dintr-un tip de materie numită materie. Substanțele sunt împărțite în două grupe principale - substanțe simple și complexe.
Substanțele complexe sunt acele substanțe care pot fi descompuse în alte substanțe, mai simple, prin reacții chimice. Spre deosebire de substanțele complexe, substanțele simple sunt cele care nu pot fi descompuse chimic în substanțe și mai simple.
Un exemplu de substanță complexă este apa, care prin reactie chimica poate fi descompus în alte două substanțe, mai simple - hidrogen și oxigen. În ceea ce privește ultimele două, acestea nu mai pot fi descompuse chimic în substanțe mai simple și, prin urmare, sunt substanțe simple, sau, cu alte cuvinte, elemente chimice.
În prima jumătate a secolului al XIX-lea, în știință exista o presupunere că elementele chimice erau substanțe neschimbabile care nu aveau o legătură comună între ele. Cu toate acestea, omul de știință rus D.I. Mendeleev (1834 - 1907) a identificat prima dată legătura în 1869 elemente chimice, arătând că caracteristica de calitate fiecare dintre ele depinde de caracteristicile sale cantitative – greutatea atomică.
În timp ce studia proprietățile elementelor chimice, D.I. Mendeleev a observat că proprietățile lor se repetă periodic în funcție de greutatea lor atomică. El a afișat această periodicitate sub forma unui tabel, care a fost inclus în știință sub numele „Tabelul periodic al elementelor lui Mendeleev”.
Mai jos este tabelul periodic modern al elementelor chimice al lui Mendeleev.
Atomi
Conform conceptelor moderne ale științei, fiecare element chimic constă dintr-o colecție de particule materiale (materiale) minuscule numite atomi.
Un atom este cea mai mică fracțiune a unui element chimic care nu mai poate fi descompus chimic în alte particule de material, mai mici și mai simple.
Atomii elementelor chimice care sunt diferiți în natură diferă unul de celălalt prin proprietățile lor fizice și chimice, structură, dimensiune, masă, greutate atomică, energie intrinsecă și alte proprietăți. De exemplu, atomul de hidrogen diferă puternic în proprietățile și structura sa de atomul de oxigen, iar acesta din urmă de atomul de uraniu etc.
S-a stabilit că atomii elementelor chimice au dimensiuni extrem de mici. Dacă presupunem în mod convențional că atomii au o formă sferică, atunci diametrele lor ar trebui să fie egale cu o sută de milioane de centimetru. De exemplu, diametrul unui atom de hidrogen - cel mai mic atom din natură - este egal cu o sută de milioane de centimetru (10 -8 cm), iar diametrul celor mai mari atomi, de exemplu, un atom de uraniu, nu depășește trei sute de milionimi de centimetru (3 10 -8 cm). În consecință, un atom de hidrogen este de atâtea ori mai mic decât o minge cu o rază de un centimetru, cu cât aceasta din urmă este mai mică decât globul.
În conformitate cu dimensiunea foarte mică a atomilor, masa lor este, de asemenea, foarte mică. De exemplu, masa unui atom de hidrogen este m = 1,67 10 -24 g. Aceasta înseamnă că un gram de hidrogen conține aproximativ 6 10 23 atomi.
Unitatea convențională de măsură pentru greutățile atomice ale elementelor chimice este considerată a fi 1/16 din greutatea unui atom de oxigen.În conformitate cu această greutate atomică a unui element chimic, se numește un număr abstract, care arată de câte ori greutatea este a unui element chimic dat este mai mare de 1/16 din greutatea unui atom de oxigen.
ÎN tabelul periodic elemente ale lui D.I. Mendeleev, sunt date greutățile atomice ale tuturor elementelor chimice (vezi numărul plasat sub denumirea elementului). Din acest tabel vedem că cel mai ușor atom este atomul de hidrogen, care are o greutate atomică de 1,008. Greutatea atomică a carbonului este 12, oxigenul este 16 etc.
În ceea ce privește elementele chimice mai grele, greutatea lor atomică depășește greutatea atomică a hidrogenului de peste două sute de ori. Astfel, greutatea atomică a mercurului este de 200,6, radiul este de 226 etc. Cu cât este mai mare ordinea numărului ocupată de un element chimic în tabelul periodic al elementelor, cu atât greutatea atomică este mai mare.
Cele mai multe dintre greutățile atomice ale elementelor chimice sunt exprimate numere fracționare. Acest lucru se explică într-o anumită măsură prin faptul că astfel de elemente chimice constau dintr-o colecție de mai multe tipuri de atomi care au greutăți atomice diferite, dar aceleași proprietăți chimice.
Elementele chimice care ocupă același număr în tabelul periodic al elementelor și, prin urmare, au aceleași proprietăți chimice, dar greutăți atomice diferite, se numesc izotopi.
Izotopii se găsesc în majoritatea elementelor chimice, are doi izotopi, calciu - patru, zinc - cinci, staniu - unsprezece etc. Mulți izotopi sunt obținuți prin artă, unii dintre ei fiind de mare importanță practică.
Particule elementare de materie
Pentru o lungă perioadă de timp s-a crezut că atomii elementelor chimice sunt limita de divizibilitate a materiei, adică, ca „blocurile de construcție” elementare ale universului. Știința modernă a respins această ipoteză, stabilind că un atom al oricărui element chimic este o colecție de particule materiale chiar mai mici decât atomul însuși.
Conform teoriei electronice a structurii materiei, un atom al oricărui element chimic este un sistem format dintr-un nucleu central în jurul căruia se rotesc particulele de material „elementare” numite electroni. Nucleele atomilor, conform opiniilor general acceptate, constau dintr-o colecție de particule materiale „elementare” - protoni și neutroni.
Pentru a înțelege structura atomilor și procesele fizice și chimice din ei, este necesar să vă familiarizați cel puțin pe scurt cu caracteristicile de bază ale particulelor elementare care alcătuiesc atomii.
Hotărât că electronul este o particulă materială care are cea mai mică sarcină electrică negativă observată în natură.
Dacă presupunem în mod convențional că un electron ca particulă are o formă sferică, atunci diametrul electronului ar trebui să fie egal cu 4 · 10 -13 cm, adică este de zeci de mii de ori mai mic decât diametrul oricărui atom.
Un electron, ca orice altă particulă materială, are masă. „Masa în repaus” a unui electron, adică masa pe care o are în stare de repaus relativ, este egală cu m o = 9,1 10 -28 g.
„Masa de repaus” extrem de mică a electronului indică faptul că proprietățile inerte ale electronului sunt extrem de slabe, ceea ce înseamnă că electronul, sub influența unei forțe electrice variabile, poate oscila în spațiu cu o frecvență de multe miliarde de cicluri pe al doilea.
Masa unui electron este atât de mică încât pentru a obține un gram de electroni ar fi necesar să se ia 1027 de unități. A avea măcar o idee fizică despre asta este colosal un numar mare, hai sa dam un exemplu. Dacă un gram de electroni ar putea fi plasați în linie dreaptă unul lângă celălalt, ei ar forma un lanț lung de patru miliarde de kilometri.
Masa unui electron, ca orice microparticulă materială, depinde de viteza de mișcare a acestuia. Un electron, fiind în stare de repaus relativ, are o „masă în repaus”, care este de natură mecanică, ca masa oricărui corp fizic. În ceea ce privește „masa de mișcare” a electronului, care crește odată cu creșterea vitezei de mișcare a acestuia, este de origine electromagnetică. Se datorează prezenței unui câmp electromagnetic într-un electron în mișcare ca un anumit tip de materie cu masă și energie electromagnetică.
Cu cât electronul se mișcă mai repede, cu atât mai mult se manifestă proprietățile inerțiale ale câmpului său electromagnetic și, în consecință, cu atât este mai mare masa acestuia din urmă și, în consecință, energia sa electromagnetică. Deoarece un electron cu câmpul său electromagnetic constituie un singur, conectat organic sistem material, atunci este firesc ca masa de mișcare a câmpului electromagnetic al electronului să poată fi atribuită direct electronului însuși.
Un electron, pe lângă proprietățile unei particule, are și proprietăți de undă. Experiența a stabilit că fluxul de electroni, ca un flux de lumină, se propagă sub forma unei mișcări de tip val. Natura mișcării ondulatorii a fluxului de electroni în spațiu este confirmată de fenomenele de interferență și difracție a undelor electronice.
Interferența electronică- acesta este fenomenul de suprapunere a testamentelor electronice unul asupra celuilalt, și difracția electronilor- acesta este fenomenul undelor de electroni care se îndoaie în jurul marginilor unui gol îngust prin care trece un flux de electroni. În consecință, un electron nu este doar o particulă, ci o „undă de particule”, a cărei lungime depinde de masa și viteza electronului.
S-a stabilit că electronul, pe lângă mișcarea sa de translație, realizează și o mișcare de rotație în jurul axei sale. Acest tip de mișcare a electronilor se numește „rotire” (de la cuvânt englezesc„spin” – fus). Ca urmare a unei astfel de mișcări, electronul, pe lângă proprietățile electrice datorate sarcinii electrice, capătă și proprietăți magnetice, care amintesc în acest sens de un magnet elementar.
Un proton este o particulă materială care are o sarcină electrică pozitivă egală în valoare absolută cu sarcina electrică a unui electron.
Masa protonului este de 1,67 · 10-24 g, adică este de aproximativ 1840 de ori „masa în repaus” a electronului.
Spre deosebire de electron și proton, un neutron nu are sarcină electrică, adică este o particulă „elementară” neutră din punct de vedere electric. Masa unui neutron este aproape egală cu masa unui proton.
Electronii, protonii și neutronii, fiind parte a atomilor, interacționează între ei. În special, electronii și protonii sunt atrași unul de celălalt ca particule cu sarcini electrice opuse. În același timp, un electron dintr-un electron și un proton dintr-un proton sunt respinși ca particule având aceleași sarcini electrice.
Interacțiunea tuturor acestor particule încărcate electric are loc prin câmpurile lor electrice. Aceste câmpuri reprezintă un tip special de materie, constând dintr-o colecție de particule de material elementar numite fotoni. Fiecare foton are o cantitate strict definită de energie inerentă în el (cuantum de energie).
Interacțiunea particulelor de material încărcate electric se realizează prin schimbul de fotoni între ele. Forța de interacțiune dintre particulele încărcate electric este de obicei numită forta electrica.
Neutronii și protonii aflați în nucleele atomilor interacționează, de asemenea, între ei. Cu toate acestea, această interacțiune nu se mai realizează prin câmp electric, deoarece neutronul este o particulă de materie neutră din punct de vedere electric și prin așa-numitul câmp nuclear.
Acest câmp este, de asemenea, un tip special de materie, constând dintr-o colecție de particule de material elementar numite mezoni. Interacțiunea neutronilor și protonilor se realizează prin schimbul de mezoni între ei. Forța dintre neutroni și protoni care interacționează între ei se numește forță nucleară.
S-a stabilit că forțele nucleare acționează în nucleele atomilor la distanțe extrem de mici - aproximativ 10 - 13 cm.Forțele nucleare depășesc semnificativ în mărime forțele electrice de respingere reciprocă a protonilor din nucleul unui atom. Acest lucru duce la faptul că sunt capabili nu numai să depășească forțele de respingere reciprocă a protonilor din interiorul nucleelor atomilor, ci și să creeze sisteme foarte puternice de nuclee dintr-o combinație de protoni și neutroni.
Stabilitatea nucleului fiecărui atom depinde de relația dintre două forțe contradictorii - nucleare (atracția reciprocă a protonilor și neutronilor) și electrice (repulsarea reciprocă a protonilor).
Forțele nucleare puternice care acționează în nucleele atomilor contribuie la transformarea neutronilor și a protonilor unul în altul. Aceste interconversii de neutroni și protoni sunt efectuate ca rezultat al eliberării sau absorbției de particule elementare mai ușoare, cum ar fi mezonii.
Particulele pe care le-am considerat sunt numite elementare deoarece nu constau dintr-o colecție de alte particule de materie mai simple. Dar, în același timp, nu trebuie să uităm că sunt capabili să se transforme unul în celălalt, apărând unul în detrimentul celuilalt. Astfel, aceste particule sunt niște formațiuni complexe, adică elementaritatea lor este condiționată.
Structura chimică a atomilor
Cel mai simplu atom din structura sa este atomul de hidrogen. Constă dintr-o colecție de doar două particule elementare - un proton și un electron. Protonul din sistemul atomic de hidrogen joacă rolul unui nucleu central în jurul căruia electronul se rotește pe o anumită orbită. În fig. Figura 1 prezintă schematic un model al atomului de hidrogen.
Orez. 1. Schema structurii atomului de hidrogen
Acest model este doar o aproximativă aproximare a realității. Faptul este că electronul ca „undă-particulă” nu are un volum puternic delimitat de mediul extern. Aceasta înseamnă că nu ar trebui să vorbim despre o orbită liniară exactă a electronului, ci despre un fel de nor de electroni. În acest caz, electronul ocupă cel mai adesea unele linia mediană nor, care este una dintre posibilele sale orbite într-un atom.
Trebuie spus că orbita electronului în sine nu este strict neschimbată și nemișcată în atom - și el, din cauza modificărilor masei electronului, suferă o mișcare de rotație. În consecință, mișcarea unui electron într-un atom este relativă natură complexă. Deoarece nucleul unui atom de hidrogen (proton) și electronul care se rotește în jurul lui au sarcini electrice opuse, ele sunt atrase reciproc.
În același timp, electronul, rotindu-se în jurul nucleului atomului, dezvoltă o forță centrifugă care tinde să-l îndepărteze din nucleu. În consecință, forța electrică de atracție reciprocă dintre nucleul unui atom și electron și forța centrifugă care acționează asupra electronului sunt forțe contradictorii.
La echilibru, electronul lor ocupă o poziție relativ stabilă pe o anumită orbită a atomului. Întrucât masa unui electron este foarte mică, pentru a echilibra forța de atracție către nucleul unui atom, acesta trebuie să se rotească cu o viteză enormă, egală cu aproximativ 6 10 15 rotații pe secundă. Aceasta înseamnă că electronul din sistemul atomului de hidrogen, ca orice alt atom, se mișcă de-a lungul orbitei sale cu o viteză liniară care depășește o mie de kilometri pe secundă.
ÎN conditii normale Electronul se rotește într-un atom de acest fel pe orbita cea mai apropiată de nucleu. În același timp, are cantitatea minimă posibilă de energie. Dacă, dintr-un motiv sau altul, de exemplu, sub influența altor particule materiale care au invadat sistemul atomic, electronul se deplasează pe o orbită mai îndepărtată de atom, atunci va avea deja o cantitate puțin mai mare de energie.
Cu toate acestea, electronul rămâne pe această nouă orbită pentru un timp nesemnificativ de scurt, după care se rotește din nou spre orbita cea mai apropiată de nucleul atomic. În timpul acestei mișcări, își eliberează excesul de energie sub forma unui cuantum de radiație electrică magnetică - energie radiantă (Fig. 2).
Orez. 2. Un electron, atunci când se deplasează de pe o orbită îndepărtată pe una mai aproape de nucleul unui atom, emite o cantitate de energie radiantă
Cu cât un electron primește mai multă energie din exterior, cu atât orbita este mai îndepărtată de nucleul atomului către care se deplasează și cu atât mai mult cantitate mare Emite energie electromagnetică atunci când se rotește pe orbita cea mai apropiată de nucleu.
Măsurând cantitatea de energie emisă de un electron în deplasarea de pe diverse orbite către cea mai apropiată de nucleul atomului, s-a putut stabili că un electron în sistemul atomului de hidrogen, ca și în sistemul oricărui alt atom , nu se poate muta pe o orbită arbitrară, ci pe una strict definită în conformitate cu energia pe care o primește sub influența forta externa. Orbitele pe care le poate ocupa un electron într-un atom se numesc orbite permise.
Deoarece sarcina pozitivă a nucleului unui atom de hidrogen (sarcina protonului) și sarcina negativă a electronului sunt egale numeric, sarcina lor totală este zero. Aceasta înseamnă că atomul de hidrogen, fiind în starea sa normală, este o particulă neutră din punct de vedere electric.
Acest lucru este valabil pentru atomii tuturor elementelor chimice: un atom al oricărui element chimic în stare normală este o particulă neutră din punct de vedere electric datorită egalității numerice a sarcinilor sale pozitive și negative.
Deoarece nucleul unui atom de hidrogen conține o singură particulă „elementară” - un proton, așa-numitul număr de masă al acestui nucleu este egal cu unul. Numărul de masă al nucleului unui atom al oricărui element chimic este numărul total de protoni și neutroni incluși în compoziția acestui nucleu.
Hidrogenul natural constă în principal dintr-o colecție de atomi cu un număr de masă egal cu unu. Cu toate acestea, conține și un alt tip de atomi de hidrogen, cu un număr de masă egal cu doi. Nucleele atomilor acestui hidrogen greu, numite deuteroni, constau din două particule - un proton și un neutron. Acest izotop al hidrogenului se numește deuteriu.
Hidrogenul natural conține cantități foarte mici de deuteriu. Pentru fiecare șase mii de atomi de hidrogen ușor (număr de masă egal cu unu), există doar un atom de deuteriu (hidrogen greu). Există un alt izotop al hidrogenului - hidrogenul supergreu, numit tritiu. În nucleele unui atom al acestui izotop de hidrogen există trei particule: un proton și doi neutroni, legați unul de celălalt prin forțe nucleare. Numărul de masă al nucleului unui atom de tritiu este de trei, adică un atom de tritiu este de trei ori mai greu decât un atom de hidrogen ușor.
Deși atomii izotopilor de hidrogen au mase diferite, au totuși aceleași proprietăți chimice.De exemplu, hidrogenul ușor, intrând într-o interacțiune chimică cu oxigenul, formează o substanță complexă cu acesta - apa. În mod similar, izotopul hidrogenului, deuteriul, se combină cu oxigenul pentru a forma apă, care, spre deosebire de apa obișnuită, se numește apă grea. Apa grea este utilizată pe scară largă în procesul de producere a energiei nucleare (nucleare).
Prin urmare, Proprietăți chimice atomii nu depind de masa nucleelor lor, ci doar de structura învelișului de electroni a atomului. Deoarece atomii ușori de hidrogen, deuteriu și tritiu au același număr de electroni (câte unul pentru fiecare atom), acești izotopi au aceleași proprietăți chimice.
Nu este o coincidență faptul că elementul chimic hidrogen ocupă primul număr din tabelul periodic al elementelor. Faptul este că există o anumită legătură între numărul oricărui element din tabelul periodic al elementelor și valoarea de încărcare a nucleului unui atom al acestui element. Poate fi formulat astfel: numărul de serie al oricărui element chimic din tabelul periodic al elementelor este numeric egal cu sarcina pozitivă a nucleului acestui element și, în consecință, cu numărul de electroni care se rotesc în jurul acestuia.
Deoarece hidrogenul ocupă primul număr din tabelul periodic al elementelor, aceasta înseamnă că sarcina pozitivă a nucleului atomului său este egală cu unu și că un electron se rotește în jurul nucleului.
Elementul chimic heliu ocupă numărul doi în tabelul periodic al elementelor. Aceasta înseamnă că are o sarcină electrică pozitivă a nucleului egală cu două unități, adică nucleul său trebuie să conțină doi protoni, iar învelișul de electroni a atomului trebuie să conțină doi electrozi.
Heliul natural este format din doi izotopi - heliu greu și heliu ușor. Numărul de masă al heliului greu este de patru. Aceasta înseamnă că nucleul unui atom greu de heliu, pe lângă cei doi protoni menționați mai sus, trebuie să includă încă doi neutroni. În ceea ce privește heliul ușor, numărul său de masă este trei, adică nucleul său, pe lângă doi protoni, trebuie să includă încă un neutron.
S-a stabilit că în heliul natural numărul de atomi de heliu ușor este de aproximativ o milioneme din atomii de heliu grei. În fig. Figura 3 prezintă un model schematic al atomului de heliu.
Orez. 3. Schema structurii atomului de heliu
O complexitate suplimentară a structurii atomilor elementelor chimice apare datorită creșterii numărului de protoni și neutroni din nucleele acestor atomi și, în același timp, datorită creșterii numărului de electroni care se rotesc în jurul nucleelor (Fig. 4). ). Folosind tabelul periodic al elementelor, este ușor de determinat numărul de electroni, protoni și neutroni care formează diferiți atomi.
Orez. 4. Scheme ale structurii nucleelor atomice: 1 - heliu, 2 - carbon, 3 - oxigen
Numărul atomic al unui element chimic este egal cu numărul de protoni aflați în nucleul unui atom și, în același timp, cu numărul de electroni care se rotesc în jurul nucleului. În ceea ce privește greutatea atomică, aceasta este aproximativ egală cu numărul de masă al atomului, adică numărul de protoni și neutroni combinați în nucleu. Prin urmare, scăzând din greutatea atomică a unui element un număr egal cu numărul atomic al elementului, se poate determina câți neutroni sunt conținuti într-un nucleu dat.
S-a stabilit că nucleele elementelor chimice ușoare, care conțin un număr egal de protoni și neutroni, diferă foarte mult mare putere, deoarece forțele nucleare din ele sunt relativ mari. De exemplu, nucleul unui atom greu de heliu este extrem de puternic deoarece este format din doi protoni și doi neutroni legați împreună de forțe nucleare puternice.
Nucleele atomilor elementelor chimice mai grele conțin un număr inegal de protoni și neutroni, astfel încât legătura lor în nucleu este mai slabă decât în nucleele elementelor chimice ușoare. Nucleele acestor elemente pot fi divizate relativ ușor atunci când sunt bombardate cu „proiectile” atomice (neutroni, nuclee de heliu etc.).
În ceea ce privește elementele chimice cele mai grele, în special cele radioactive, nucleele lor sunt atât de slabe încât se dezintegrează spontan în părțile lor componente. De exemplu, atomii elementului radioactiv radiu, constând dintr-o combinație de 88 de protoni și 138 de neutroni, se descompun spontan, transformându-se în atomi ai elementului radioactiv radon. Atomii acestuia din urmă, la rândul lor, se dezintegrează în părțile lor componente, transformându-se în atomi ai altor elemente.
După ce am revizuit pe scurt componente nuclee de atomi de elemente chimice, luați în considerare structura învelișurilor electronice ale atomilor. După cum se știe, electronii se pot roti în jurul nucleelor atomice doar pe orbite strict definite. Mai mult, ei sunt atât de grupați în învelișul de electroni a fiecărui atom încât straturile individuale de electroni pot fi distinse.
Fiecare strat poate conține un număr de electroni care nu depășește un număr strict definit. Deci, de exemplu, în primul strat de electroni cel mai apropiat de nucleul unui atom pot exista maximum doi electroni, în al doilea - nu mai mult de opt electroni etc.
Acei atomi ale căror straturi de electroni exterioare sunt complet umplute au cea mai stabilă înveliș de electroni. Aceasta înseamnă că acest atom își ține ferm toți electronii și nu trebuie să primească o cantitate suplimentară din exterior. De exemplu, un atom de heliu are doi electroni care umplu complet primul strat de electroni, iar un atom de neon are zece electroni, dintre care primii doi umplu complet primul strat de electroni, iar restul - al doilea (Fig. 5).
Orez. 5. Schema structurii atomului de neon
În consecință, atomii de heliu și neon au învelișuri electronice complet stabile și nu se străduiesc să le modifice cumva cantitativ. Astfel de elemente sunt inerte din punct de vedere chimic, adică nu interacționează chimic cu alte elemente.
Cu toate acestea, majoritatea elementelor chimice au atomi în care straturile de electroni exterioare nu sunt în întregime umplute cu electroni. De exemplu, un atom de potasiu are nouăsprezece electroni, dintre care optsprezece umplu complet primele trei straturi, iar al nouăsprezecelea electron este singur în următorul strat de electroni neumplut. Umplerea slabă a celui de-al patrulea strat de electroni cu electroni duce la faptul că nucleul atomului deține foarte slab electronul cel mai exterior, al nouăsprezecelea electron și, prin urmare, acesta din urmă poate fi smuls cu ușurință din atom. .
Sau, de exemplu, un atom de oxigen are opt electroni, dintre care doi umplu complet primul strat, iar restul de șase sunt localizați în al doilea strat. Astfel, pentru a finaliza complet construcția celui de-al doilea strat de electroni din atomul de oxigen, este nevoie doar de doi electroni. Prin urmare, atomul de oxigen nu numai că își menține ferm cei șase electroni în al doilea strat, dar are și capacitatea de a atrage cei doi electroni care îi lipsesc pentru a umple al doilea strat de electroni. El realizează acest lucru combinându-se chimic cu atomi de elemente ai căror electroni exteriori sunt legați slab de nucleele lor.
Elementele chimice ai căror atomi nu au straturi exterioare de electroni complet umplute cu electroni sunt, de regulă, active din punct de vedere chimic, adică intră cu ușurință în interacțiuni chimice.
Deci, electronii din atomii elementelor chimice sunt localizați strict în într-o anumită ordine iar orice modificare a aranjamentului lor spațial sau a cantității în învelișul de electroni a unui atom duce la o schimbare proprietati fizice si chimice ultimul.
Egalitatea numărului de electroni și protoni din sistemul atomic este motivul pentru care sarcina sa electrică totală este zero. Dacă egalitatea numărului de electroni și protoni din sistemul atomic este încălcată, atunci atomul devine un sistem încărcat electric.
Un atom în al cărui sistem echilibrul sarcinilor electrice opuse este perturbat din cauza faptului că și-a pierdut o parte din electroni sau, dimpotrivă, a dobândit o cantitate în exces, se numește ion.
Dimpotrivă, dacă un atom câștigă niște electroni în plus, el devine un ion negativ. De exemplu, un atom de clor care a câștigat un electron în plus se transformă într-un ion de clor negativ încărcat individual Cl -. Un atom de oxigen care a primit doi electroni în plus se transformă într-un ion de oxigen negativ O încărcat dublu etc.
Un atom care s-a transformat într-un ion devine, în raport cu Mediul extern sistem încărcat electric. Aceasta înseamnă că atomul a început să aibă un câmp electric, împreună cu care constituie un singur sistem material și prin acest câmp realizează interacțiune electrică cu alte particule de materie încărcate electric - ioni, electroni, nuclee atomice încărcate pozitiv etc.
Capacitatea ionilor diferiți de a fi atrași reciproc unul de celălalt este motivul pentru care se combină chimic, formând particule mai complexe de materie - molecule.
În concluzie, trebuie remarcat faptul că dimensiunile unui atom sunt foarte mari în comparație cu dimensiunile particulelor materiale din care sunt compuse. Nucleul celui mai complex atom, împreună cu toți electronii, ocupă o miliardime din volumul atomului. Un calcul simplu arată că dacă un metru cub de platină ar putea fi comprimat atât de strâns încât spațiile intraatomice și interatomice să dispară, atunci volumul ar fi egal cu aproximativ un milimetru cub.
- Traducere
În centrul fiecărui atom se află nucleul, o mică colecție de particule numite protoni și neutroni. În acest articol vom studia natura protonilor și neutronilor, care constau din particule și mai mici - quarci, gluoni și antiquarci. (Gluonii, ca și fotonii, sunt propriile lor antiparticule.) Quarcii și gluonii, din câte știm, pot fi cu adevărat elementari (indivizibili și nu constați din nimic mai mic ca dimensiune). Dar la ei mai târziu.
În mod surprinzător, protonii și neutronii au aproape aceeași masă - cu exactitate într-un procent:
- 0,93827 GeV/c 2 pentru proton,
- 0,93957 GeV/c 2 pentru un neutron.
Pentru că sunt atât de asemănătoare și pentru că aceste particule alcătuiesc nucleele, protonii și neutronii sunt adesea numiți nucleoni.
Protonii au fost identificați și descriși în jurul anului 1920 (deși au fost descoperiți mai devreme; nucleul unui atom de hidrogen este doar un singur proton), iar neutronii au fost descoperiți în jurul anului 1933. S-a realizat aproape imediat că protonii și neutronii sunt atât de asemănători între ei. Dar faptul că au o dimensiune măsurabilă comparabilă cu dimensiunea unui nucleu (de aproximativ 100.000 de ori mai mică ca rază decât un atom) nu a fost cunoscut până în 1954. Că acestea constau din quarci, antiquarci și gluoni a fost înțeles treptat de la mijlocul anilor 1960 până la mijlocul anilor 1970. Până la sfârșitul anilor 70 și începutul anilor 80, înțelegerea noastră despre protoni, neutroni și din ce sunt alcătuiți s-a stabilit în mare măsură și a rămas neschimbată de atunci.
Nucleonii sunt mult mai greu de descris decât atomii sau nucleii. Ca să nu spun că atomii sunt în principiu simpli, dar cel puțin se poate spune fără să se gândească că un atom de heliu este format din doi electroni pe orbită în jurul unui nucleu minuscul de heliu; iar nucleul de heliu este un grup destul de simplu de doi neutroni și doi protoni. Dar cu nucleoni totul nu este atât de simplu. Am scris deja în articolul „Ce este un proton și ce este în el?” că un atom este ca un menuet elegant, iar un nucleon este ca o petrecere sălbatică.
Complexitatea protonului și neutronului pare a fi autentică și nu rezultă din incomplet cunoștințe fizice. Avem ecuații folosite pentru a descrie quarci, antiquarci și gluoni și interacțiunile nucleare puternice care au loc între ei. Aceste ecuații se numesc QCD, din cromodinamica cuantică. Se poate verifica acuratețea ecuațiilor căi diferite, inclusiv măsurarea numărului de particule care apar la Large Hadron Collider. Prin conectarea ecuațiilor QCD într-un computer și efectuând calcule privind proprietățile protonilor și neutronilor și ale altor particule similare (numite în mod colectiv „hadroni”), obținem predicții ale proprietăților acestor particule care aproximează îndeaproape observațiile făcute în lumea reală. Prin urmare, avem motive să credem că ecuațiile QCD nu mint și că cunoștințele noastre despre proton și neutron se bazează pe ecuațiile corecte. Dar doar a avea ecuațiile potrivite nu este suficient, deoarece:
- U ecuații simple se poate dovedi a fi foarte solutii complexe,
- Uneori este imposibil să descrii decizii complexe într-un mod simplu.
Din cauza complexității inerente a nucleonilor, tu, cititorul, va trebui să faci o alegere: cât de mult vrei să știi despre complexitatea descrisă? Indiferent cât de departe ai merge, cel mai probabil nu îți va aduce satisfacție: cu cât înveți mai mult, cu atât subiectul va deveni mai clar, dar răspunsul final va rămâne același - protonul și neutronul sunt foarte complexe. Vă pot oferi trei niveluri de înțelegere, cu detalii tot mai mari; te poți opri după orice nivel și trece la alte subiecte sau te poți scufunda până la ultimul. Fiecare nivel ridică întrebări la care pot răspunde parțial în următorul, dar răspunsurile noi ridică întrebări noi. Până la urmă - așa cum fac în discuțiile profesionale cu colegii și studenții avansați - nu vă pot referi decât la date obținute în experimente reale, la diverse argumente teoretice influente și simulări pe computer.
Primul nivel de înțelegere
Din ce sunt alcătuiți protonii și neutronii?Orez. 1: o versiune prea simplificată a protonilor, constând din doar doi cuarci up și un cuarc down, și neutroni, constând din doar doi cuarci down și un cuarc up
Pentru a simplifica lucrurile, multe cărți, articole și site-uri web indică faptul că protonii constau din trei quarci (doi quarci sus și unul down) și desenează ceva de genul Fig. 1. Neutronul este același, constând doar dintr-un quark up și doi down. Această imagine simplă ilustrează ceea ce credeau unii oameni de știință, mai ales în anii 1960. Dar curând a devenit clar că acest punct de vedere a fost simplificat prea mult până la punctul în care nu mai era corect.
Din surse mai sofisticate de informații, veți afla că protonii sunt formați din trei quarci (doi în sus și unul în jos) ținuți împreună de gluoni - și poate apărea o imagine similară cu Fig. 2, unde gluonii sunt atrași ca arcuri sau șiruri care țin quarci. Neutronii sunt la fel, doar cu un cuarc up și doi cuarci down.
Orez. 2: ameliorare fig. 1 datorită accentului pus pe rolul important al forței nucleare puternice, care deține quarcii în proton
Acesta nu este o modalitate atât de proastă de a descrie nucleonii, deoarece subliniază rolul important al forței nucleare puternice, care reține quarcii într-un proton în detrimentul gluonilor (la fel cum fotonul, particula care formează lumina, este asociat cu forța electromagnetică). Dar acest lucru este, de asemenea, confuz, deoarece nu explică cu adevărat ce sunt gluonii sau ce fac ei.
Există motive pentru a merge mai departe și a descrie lucrurile așa cum am făcut eu în: un proton este format din trei quarci (doi în sus și unul în jos), o grămadă de gluoni și un munte de perechi quark-antiquark (mai ales quarci sus și jos, dar sunt si cateva ciudate) . Toate zboară înainte și înapoi cu viteze foarte mari (apropiindu-se de viteza luminii); acest întreg set este ținut împreună de forța nucleară puternică. Am demonstrat acest lucru în Fig. 3. Neutronii sunt din nou la fel, dar cu unul sus și doi cuarci down; Cuarcul care și-a schimbat identitatea este indicat de o săgeată.
Orez. 3: reprezentare mai realistă, deși încă imperfectă, a protonilor și neutronilor
Acești quarci, anti-quarci și gluoni nu numai că se repetă înainte și înapoi, dar se ciocnesc unul cu celălalt și se transformă unul în celălalt prin procese precum anihilarea particulelor (în care un quarc și un antiquarc de același tip se transformă în doi gluoni, sau invers) sau absorbția și emisia unui gluon (în care un cuarc și un gluon se pot ciocni și să producă un cuarc și doi gluoni, sau invers).
Ce au în comun aceste trei descrieri:
- Doi cuarci up și un cuarc down (plus altceva) pentru un proton.
- Neutronul are un cuarc up și doi cuarci down (plus altceva).
- „Altul” al neutronilor coincide cu „altceva” al protonilor. Adică, nucleonii au același „altceva”.
- Mica diferență de masă dintre proton și neutron apare datorită diferenței dintre masele cuarcului down și al cuarcului up.
- pentru quarcii de top sarcina electrică este egală cu 2/3 e (unde e este sarcina unui proton, -e este sarcina unui electron),
- quarcii de fund au o sarcină de -1/3e,
- gluonii au o sarcină de 0,
- orice quarc și antiquarc-ul corespunzător au o sarcină totală de 0 (de exemplu, un quarc antidown are o sarcină de +1/3e, deci un quarc down și un quarc down vor avea o sarcină de –1/3 e +1/3 e = 0),
- sarcina electrică totală a protonului este 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- sarcina electrică totală a neutronului este 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- cât de mult „altceva” este în interiorul nucleonului,
- ce cauta acolo
- de unde provine masa și energia masei (E = mc 2, energia prezentă acolo chiar și atunci când particula este în repaus) a nucleonului.
Orez. 1 spune că quarcii sunt în esență o treime dintr-un nucleon - la fel ca un proton sau neutron este un sfert dintr-un nucleu de heliu sau 1/12 dintr-un nucleu de carbon. Dacă această imagine ar fi adevărată, quarkurile din nucleon s-ar mișca relativ lent (la viteze mult mai mici decât lumina) cu interacțiuni relativ slabe acționând între ei (deși cu o forță puternică care îi ține pe loc). Masa cuarcului, în sus și în jos, ar fi atunci de ordinul a 0,3 GeV/c 2 , aproximativ o treime din masa protonului. Dar această imagine simplă și ideile pe care le impune sunt pur și simplu greșite.
Orez. 3. oferă o idee complet diferită despre proton, ca un cazan de particule care se zboară în el la viteze apropiate de lumina. Aceste particule se ciocnesc unele de altele, iar în aceste ciocniri, unele dintre ele sunt anihilate, iar altele sunt create în locul lor. Gluonii nu au masă, masele quarcilor superiori sunt de ordinul a 0,004 GeV/c 2 , iar masele quarcilor inferiori sunt de ordinul a 0,008 GeV/c 2 - de sute de ori mai puțin decât un proton. De unde provine energia masei protonilor este o întrebare complexă: o parte din ea provine din energia masei quarcilor și antiquarcilor, o parte din energia de mișcare a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor și o parte (posibil pozitivă, poate negativă). ) din energia stocată în interacțiunea nucleară puternică, ținând împreună quarcii, antiquarcii și gluonii.
Într-un fel, Fig. 2 încercări de a rezolva diferența dintre Fig. 1 și fig. 3. Simplifică figura. 3, eliminând multe perechi quark-antiquark, care, în principiu, pot fi numite efemere, deoarece apar și dispar în mod constant și nu sunt necesare. Dar dă impresia că gluonii din nucleoni sunt o parte directă a forței nucleare puternice care ține protonii împreună. Și nu explică de unde provine masa protonului.
În fig. 1 există un alt dezavantaj, pe lângă cadrele înguste ale protonului și neutronului. Nu explică unele proprietăți ale altor hadroni, de exemplu, pion și rho meson. Fig. are aceleasi probleme. 2.
Aceste restricții au dus la faptul că le ofer studenților mei și pe site-ul meu poza din Fig. 3. Dar vreau să vă avertizez că are și multe limitări, despre care voi discuta mai târziu.
Este de remarcat faptul că complexitatea extremă a structurii implicată de Fig. 3 ar fi de așteptat de la un obiect ținut împreună de o forță la fel de puternică precum forța nucleară puternică. Și încă ceva: trei quarci (doi în sus și unul în jos pentru un proton) care nu fac parte dintr-un grup de perechi quarc-antiquarc sunt adesea numiți „cuarcuri de valență”, iar perechile quarc-antiquarc sunt numite „mare de perechi de quarci”. Un astfel de limbaj este convenabil din punct de vedere tehnic în multe cazuri. Dar dă impresia falsă că, dacă ai putea privi în interiorul unui proton și ai privi un anumit quarc, ai putea spune imediat dacă a fost parte a mării sau unul de valență. Acest lucru nu se poate face, pur și simplu nu există o astfel de modalitate.
Masa protonilor si masa neutronilor
Deoarece masele protonului și neutronului sunt atât de asemănătoare și deoarece protonul și neutronul diferă doar prin înlocuirea cuarcului up cu cuarcul down, se pare că masele lor sunt furnizate în același mod, provin din aceeași sursă. , iar diferența lor constă în diferența ușoară dintre quarcii sus și jos. Dar cele trei figuri de mai sus indică prezența a trei vederi foarte diferite asupra originii masei protonilor.Orez. 1 spune că quarcii sus și jos reprezintă pur și simplu 1/3 din masa protonului și neutronului: de ordinul a 0,313 GeV/c 2, sau din cauza energiei necesare pentru a menține quarcii în proton. Și întrucât diferența dintre masele unui proton și ale unui neutron este o fracțiune de procent, diferența dintre masele unui cuarc sus și jos trebuie să fie și o fracțiune de procent.
Orez. 2 este mai puțin clar. Cât de mult din masa unui proton se datorează gluonilor? Dar, în principiu, din figură rezultă că cea mai mare parte a masei protonilor provine încă din masa quarcilor, ca în Fig. 1.
Orez. 3 reflectă o abordare mai nuanțată a modului în care apare masa protonului (cum putem testa direct prin calculele computerizate ale protonului și indirect folosind alte metode matematice). Este foarte diferit de ideile prezentate în fig. 1 și 2 și se pare că nu este atât de simplu.
Pentru a înțelege cum funcționează acest lucru, trebuie să vă gândiți nu în termenii masei m a protonului, ci în termenii energiei sale de masă E = mc 2 , energia asociată cu masa. Din punct de vedere conceptual, întrebarea corectă nu este „de unde vine masa protonului m”, după care puteți calcula E prin înmulțirea m cu c 2 , ci invers: „de unde vine energia masei protonului E, ” după care se poate calcula masa m împărțind E la c 2 .
Este util să se clasifice contribuțiile la energia masei protonilor în trei grupe:
A) Energia de masă (energia de repaus) a quarcilor și antiquarcilor conținute în acesta (gluoni, particule fără masă, nu aduc nicio contribuție).
B) Energia de mișcare (energia cinetică) a quarcilor, antiquarcilor și gluonilor.
C) Energia de interacțiune (energie de legare sau energie potențială) stocată în interacțiunea nucleară puternică (mai precis, în câmpurile de gluoni) care ține protonul.
Orez. 3 spune că particulele din interiorul protonului se mișcă cu viteză mare și că acesta este plin de gluoni fără masă, deci contribuția lui B) este mai mare decât A). De obicei, în majoritatea sistemelor fizice B) și C) se dovedesc a fi comparabile, în timp ce C) este adesea negativ. Deci, energia de masă a protonului (și neutronului) provine în principal din combinația dintre B) și C), cu A) contribuind cu o mică fracție. Prin urmare, masele protonului și neutronului apar în principal nu din cauza maselor particulelor pe care le conțin, ci din cauza energiilor de mișcare ale acestor particule și a energiei interacțiunii lor asociată cu câmpurile gluonilor care generează forțele care țin proton. În majoritatea celorlalte sisteme cunoscute nouă, bilanţul energetic este distribuit diferit. De exemplu, în atomi și în sistem solar A) domină, iar B) și C) sunt mult mai mici și comparabile ca mărime.
Pentru a rezuma, menționăm că:
- Orez. 1 presupune că energia masei protonilor provine din contribuția A).
- Orez. 2 presupune că ambele contribuții A) și B) sunt importante, B) având o contribuție mică.
- Orez. 3 sugerează că B) și C) sunt importante, iar contribuția lui A) se dovedește a fi nesemnificativă.
Dacă fig. 3 nu minte, masele quarcului și antiquarcului sunt foarte mici. Cum sunt de fapt? Masa cuarcului de top (precum și a antiquarcului) nu depășește 0,005 GeV/c 2, ceea ce este mult mai mic decât 0,313 GeV/c 2, ceea ce rezultă din Fig. 1. (Masa cuarcului up este greu de măsurat și variază din cauza efectelor subtile, deci poate fi mult mai mică de 0,005 GeV/c2). Masa cuarcului inferior este cu aproximativ 0,004 GeV/s 2 mai mare decât masa cuarcului superior. Aceasta înseamnă că masa oricărui cuarc sau antiquarc nu depășește un procent din masa unui proton.
Rețineți că aceasta înseamnă (contrar cu Fig. 1) că raportul dintre cuarcul down și masa cuarcului sus nu se apropie de unitate! Masa cuarcului down este de cel puțin două ori masa cuarcului up. Motivul pentru care masele neutronului și protonului sunt atât de asemănătoare nu este pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt similare, ci pentru că masele cuarcilor sus și jos sunt foarte mici - iar diferența dintre ele este mică, relativă. la masele protonului și neutronului. Amintiți-vă că, pentru a transforma un proton într-un neutron, trebuie pur și simplu să înlocuiți unul dintre cuarcii lui up cu un cuarc down (Figura 3). Această înlocuire este suficientă pentru a face neutronul puțin mai greu decât protonul și pentru a-și schimba sarcina de la +e la 0.
Apropo, faptul că diverse particuleîn interior protonii se ciocnesc între ei și apar și dispar în mod constant, nu afectează lucrurile pe care le discutăm - energia este conservată în orice coliziune. Energia de masă și energia de mișcare a quarcilor și gluonilor se pot modifica, la fel ca și energia interacțiunii lor, dar energia totală a protonului nu se modifică, deși totul în interiorul acestuia se schimbă constant. Deci masa protonului rămâne constantă, în ciuda vortexului său intern.
În acest moment vă puteți opri și absorbi informațiile primite. Uimitor! Practic toată masa conținută în materia obișnuită provine din masa nucleonilor din atomi. Și cea mai mare parte din această masă provine din haosul inerent protonului și neutronului - din energia de mișcare a quarcilor, gluonilor și antiquarcilor din nucleoni și din energia interacțiunilor nucleare puternice care țin nucleonul în întreaga sa stare. Da: planeta noastră, corpurile noastre, respirația noastră sunt rezultatul unui asemenea pandemoniu liniștit și, până de curând, inimaginabil.
Dimensiunile și masele atomilor sunt mici. Raza atomilor este de 10 -10 m, iar raza nucleului este de 10 -15 m. Masa unui atom se determină împărțind masa unui mol de atomi ai elementului la numărul de atomi dintr-un mol. (NA = 6,02.1023 mol-1). Masa atomilor variază în intervalul 10 -27 ~ 10 -25 kg. De obicei, masa atomilor este exprimată în unități de masă atomică (amu). Pentru a.u.m. Se ia 1/12 din masa unui atom al izotopului de carbon 12 C.
Principalele caracteristici ale unui atom sunt sarcina nucleului său (Z) și numărul de masă (A). Numărul de electroni dintr-un atom este egal cu sarcina nucleului său. Proprietățile atomilor sunt determinate de sarcina nucleelor lor, de numărul de electroni și de starea lor în atom.
Proprietățile de bază și structura nucleului (teoria compoziției nucleelor atomice)
1. Nucleele atomice ale tuturor elementelor (cu excepția hidrogenului) constau din protoni și neutroni.
2. Numărul de protoni din nucleu determină valoarea sarcinii sale pozitive (Z). Z- numărul de serie al unui element chimic din sistemul periodic al lui Mendeleev.
3. Numărul total de protoni și neutroni este valoarea masei sale, deoarece masa unui atom este concentrată în principal în nucleu (99,97% din masa atomului). Particulele nucleare - protoni și neutroni - sunt numite colectiv nucleonii(de la cuvântul latin nucleus, care înseamnă „sâmbure”). Numărul total de nucleoni corespunde numărului de masă, adică. masa sa atomică A rotunjită la cel mai apropiat număr întreg.
Miezuri cu același Z, dar diferit A sunt numite izotopi. Miezuri care, cu la fel A au diferite Z, sunt numite izobare. În total, sunt cunoscuți aproximativ 300 de izotopi stabili ai elementelor chimice și peste 2000 de izotopi radioactivi naturali și artificiali.
4. Numărul de neutroni din nucleu N poate fi găsită din diferența dintre numărul de masă ( A) și numărul de serie ( Z):
5. Se caracterizează mărimea miezului raza miezului, care are o semnificație condiționată din cauza estompării limitei de bază.
Densitatea materiei nucleare este de ordinul mărimii 10 17 kg/m 3 și este constantă pentru toate nucleele. Depășește semnificativ densitățile celor mai dense substanțe obișnuite.
Teoria proton-neutron a făcut posibilă rezolvarea contradicțiilor apărute anterior în ideile despre compoziția nucleelor atomice și relația acestuia cu numărul atomic și masa atomică.
Energia de legare nucleară este determinată de cantitatea de muncă care trebuie făcută pentru a împărți un nucleu în nucleonii săi constituenți fără a le conferi energie cinetică. Din legea conservării energiei rezultă că în timpul formării unui nucleu trebuie eliberată aceeași energie care trebuie consumată în timpul divizării nucleului în nucleonii săi constitutivi. Energia de legare a unui nucleu este diferența dintre energia tuturor nucleonilor liberi care formează nucleul și energia lor din nucleu.
Când se formează un nucleu, masa acestuia scade: masa nucleului este mai mică decât suma maselor nucleonilor săi constitutivi. Scăderea masei nucleului în timpul formării acestuia se explică prin eliberarea energiei de legare. Dacă W sv este cantitatea de energie eliberată în timpul formării unui nucleu, apoi masa corespunzătoare Dm, egală cu
numit defect de masă si caracterizeaza scaderea masei totale in timpul formarii unui nucleu din nucleonii sai constituenti. O unitate de masă atomică îi corespunde unitate de energie atomică(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.
Energia nucleară specifică de legare w Energia de legare per nucleon se numește: w sv= 
. Magnitudinea w medie 8 MeV/nucleon. Pe măsură ce numărul de nucleoni din nucleu crește energie specifică conexiunile sunt în scădere.
Criteriul de stabilitate a nucleelor atomice este raportul dintre numărul de protoni și neutroni dintr-un nucleu stabil pentru izobarele date. ( A= const).
Forțele nucleare
1. Interacțiunea nucleară indică faptul că există speciale forte nucleare, nereductibil la niciunul dintre tipurile de forțe cunoscute în fizica clasică (gravitaționale și electromagnetice).
2. Forțele nucleare sunt forțe cu rază scurtă de acțiune. Apar doar la distanțe foarte mici între nucleoni din nucleu de ordinul a 10-15 m. Lungimea (1,5 x 2,2)10-15 m se numește raza de actiune forte nucleare .
3. Sunt detectate forțe nucleare incarca independenta: Atractia dintre doi nucleoni este aceeasi indiferent de starea de sarcina a nucleonilor - proton sau nucleon. Independența de sarcină a forțelor nucleare este evidentă dintr-o comparație a energiilor de legare în miezuri de oglindă. Acesta este numele dat nucleelor în care numărul total de nucleoni este același, dar numărul de protoni dintr-unul este egal cu numărul de neutroni din celălalt. De exemplu, nucleele de heliu 
tritiu hidrogen greu - .
4. Forțele nucleare au o proprietate de saturație, care se manifestă prin faptul că un nucleon dintr-un nucleu interacționează doar cu un număr limitat de nucleoni vecini cei mai apropiați de acesta. Acesta este motivul pentru care există o dependență liniară a energiilor de legare ale nucleelor de numărul lor de masă (A). Saturația aproape completă a forțelor nucleare se realizează în particula a, care este o formațiune foarte stabilă.
Radioactivitate, radiații g, a și b - dezintegrare
1.Radioactivitate este transformarea izotopilor instabili ai unui element chimic în izotopi ai altui element, însoțită de emisia de particule elementare, nuclee sau raze X dure. Radioactivitate naturală numită radioactivitate observată în izotopii instabili naturali. Radioactivitate artificială numită radioactivitatea izotopilor obținuți ca urmare a reacțiilor nucleare.
2. În mod obișnuit, toate tipurile de radioactivitate sunt însoțite de emisia de radiații gamma - radiații de unde electrice dure, cu undă scurtă. Radiația gamma este principala formă de reducere a energiei produșilor excitați ai transformărilor radioactive. Un nucleu care suferă dezintegrare radioactivă se numește maternă; în curs de dezvoltare filială nucleul, de regulă, se dovedește a fi excitat, iar tranziția sa la starea fundamentală este însoțită de emisia unui foton g.
3. Dezintegrarea alfa numită emisia de particule a de către nucleele anumitor elemente chimice. Dezintegrarea alfa este o proprietate a nucleelor grele cu numere de masă A>200 și încărcături nucleare Z>82. În interiorul unor astfel de nuclee are loc formarea de particule a izolate, fiecare constând din doi protoni și doi neutroni, adică. se formează un atom al unui element deplasat în tabel tabelul periodic elementele D.I. Mendeleev (PSE) două celule la stânga elementului radioactiv original cu un număr de masă mai mic de 4 unități(Regula Soddy-Faience): 
4. Termenul dezintegrare beta se referă la trei tipuri de transformări nucleare: electronic(grup pozitronice(b+) decade, precum și captura electronică.
dezintegrarea b apare predominant în nucleele relativ bogate în neutroni. În acest caz, neutronul nucleului se descompune într-un proton, electron și antineutrino () cu sarcină și masă zero.
În timpul dezintegrarii b, numărul de masă al izotopului nu se modifică, deoarece numărul total de protoni și neutroni este menținut, iar sarcina crește cu 1. Prin urmare, atomul elementului chimic rezultat este deplasat de PSE cu o celulă la dreapta față de elementul original, dar numărul său de masă nu se modifică(Regula Soddy-Faience):
dezintegrarea b+- apare predominant în nucleele relativ bogate în protoni. În acest caz, protonul nucleului se descompune într-un neutron, pozitron și neutrin ().
.
În timpul dezintegrarii b+, numărul de masă al izotopului nu se modifică, deoarece numărul total de protoni și neutroni este menținut, iar sarcina scade cu 1. Prin urmare, atomul elementului chimic rezultat este deplasat de PSE cu o celulă la stânga față de elementul original, dar numărul său de masă nu se modifică(Regula Soddy-Faience):
5. În cazul captării electronilor, transformarea constă în dispariția unuia dintre electronii din stratul cel mai apropiat de nucleu. Un proton, transformându-se într-un neutron, „captează” un electron; De aici provine termenul „captură electronică”. Captura electronică, spre deosebire de captarea b±, este însoțită de radiații de raze X caracteristice.
6. dezintegrarea b are loc atât în nuclee radioactive în mod natural, cât și în nuclee radioactive artificial; dezintegrarea b+ este caracteristică doar fenomenului de radioactivitate artificială.
7. radiatie g: atunci cand este excitat, nucleul unui atom emite radiatie electromagnetica cu lungime de undă scurtă și frecvență înaltă, având rigiditate și putere de penetrare mai mare decât razele X. Ca urmare, energia nucleului scade, dar numărul de masă și sarcina nucleului rămân neschimbate. Prin urmare, nu se observă transformarea unui element chimic în altul, iar nucleul atomului trece într-o stare mai puțin excitată.
Un proton este o particulă stabilă din clasa hadronilor, nucleul unui atom de hidrogen.
Este greu de spus ce eveniment ar trebui considerat descoperirea protonului: la urma urmei, ca ion de hidrogen, este cunoscut de mult timp. Crearea unui model planetar al atomului de către E. Rutherford (1911), descoperirea izotopilor (F. Soddy, J. Thomson, F. Aston, 1906-1919) și observarea nucleelor de hidrogen scoase din nuclee de către particulele alfa au jucat un rol în descoperirea azotului de protoni (E. Rutherford, 1919). În 1925, P. Blackett a primit primele fotografii cu urme de protoni într-o cameră cu nori (vezi Detectoare de radiații nucleare), confirmând descoperirea transformării artificiale a elementelor. În aceste experimente, particula β a fost capturată de un nucleu de azot, care a emis un proton și s-a transformat într-un izotop de oxigen.
Împreună cu neutronii, protonii formează nucleele atomice ale tuturor elementelor chimice, iar numărul de protoni din nucleu determină numărul atomic. a acestui element. Un proton are o sarcină electrică pozitivă egală cu sarcina elementară, adică valoarea absolută a sarcinii electronului. Acesta a fost testat experimental cu o precizie de 10-21. Masa protonului mp = (938,2796 ± 0,0027) MeV sau ~ 1,6-10-24 g, adică un proton este de 1836 de ori mai greu decât un electron! Din punct de vedere modern, protonul nu este o particulă cu adevărat elementară: este format din doi cuarci u cu sarcini electrice +2/3 (în unități de sarcină elementară) și un cuarc d cu sarcină electrică -1/3. Quarcii sunt interconectați prin schimbul de alte particule ipotetice - gluoni, cuante ale câmpului care poartă interacțiuni puternice. Datele din experimente în care procesele de împrăștiere a electronilor pe protoni au fost luate în considerare într-adevăr indică prezența centrelor de împrăștiere punctuale în interiorul protonilor. Aceste experimente sunt într-un anumit sens foarte asemănătoare cu experimentele lui Rutherford care au dus la descoperirea nucleului atomic. Fiind o particulă compozită, protonul are o dimensiune finită de ~ 10-13 cm, deși, desigur, nu poate fi reprezentat ca o bilă solidă. Mai degrabă, protonul seamănă cu un nor cu o limită încețoșată, constând din particule virtuale create și anihilante.Protonul, ca toți hadronii, participă la fiecare dintre interacțiuni fundamentale. Asa de. interacțiunile puternice leagă protonii și neutronii în nuclee, interacțiunile electromagnetice leagă protonii și electronii în atomi. Exemple de interacțiuni slabe sunt dezintegrarea beta a unui neutron sau transformarea intranucleară a unui proton într-un neutron cu emisia unui pozitron și neutrin (pentru un proton liber un astfel de proces este imposibil datorită legii conservării și transformării energiei, întrucât neutronul are o masă ceva mai mare). Spinul protonului este 1/2. Hadronii cu spin pe jumătate întreg se numesc barioni (din cuvântul grecesc care înseamnă „greu”). Barionii includ protonii, neutronii, diverși hiperoni (?, ?, ?, ?) și o serie de particule cu numere cuantice noi, dintre care majoritatea nu au fost încă descoperite. Pentru a caracteriza barionii, a fost introdus un număr special - sarcina barionică, egală cu 1 pentru barioni, - 1 - pentru antibarioni și O - pentru toate celelalte particule. Sarcina barionică nu este o sursă a câmpului barionic; a fost introdusă doar pentru a descrie modelele observate în reacțiile cu particule. Aceste modele sunt exprimate sub forma legii conservării sarcinii barionului: diferența dintre numărul de barioni și antibarioni din sistem se păstrează în orice reacție. Conservarea sarcinii barionului face imposibilă descompunerea protonului, deoarece este cel mai ușor dintre barioni. Această lege este de natură empirică și, desigur, trebuie testată experimental. Precizia legii conservării sarcinii barionului este caracterizată de stabilitatea protonului, estimarea experimentală a cărei durată de viață dă o valoare de nu mai puțin de 1032 de ani.
În același timp, teoriile care combină toate tipurile de interacțiuni fundamentale prezic procese care conduc la întreruperea sarcinii barionului și la dezintegrarea protonului. Durata de viață a unui proton în astfel de teorii nu este indicată foarte precis: aproximativ 1032 ± 2 ani. Acest timp este enorm, este de multe ori mai lung decât existența Universului (~ 2*1010 ani). Prin urmare, protonul este practic stabil, ceea ce a făcut posibilă formarea elementelor chimice și în cele din urmă apariția vieții inteligente. Cu toate acestea, căutarea dezintegrarii protonilor este acum una dintre cele mai importante sarcini fizica experimentala. Cu o durată de viață a protonilor de ~ 1032 ani într-un volum de apă de 100 m3 (1 m3 conține ~ 1030 protoni), ar trebui de așteptat o descompunere a protonului pe an. Tot ce rămâne este să înregistrăm această decădere. Descoperirea dezintegrarii protonilor va fi un pas important spre o intelegere corecta a unitatii fortelor naturii.
Neutronul este o particulă neutră aparținând clasei hadronilor. Descoperit în 1932 de către fizicianul englez J. Chadwick. Împreună cu protonii, neutronii fac parte din nucleele atomice. Incarcare electrica neutronul qn este egal cu zero. Acest lucru este confirmat de măsurători directe ale sarcinii de la deviația unui fascicul de neutroni în câmpuri electrice puternice, care au arătat că |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.
Neutronii sunt stabili doar în nucleele atomice stabile. Un neutron liber este o particulă instabilă care se descompune într-un proton (p), electron (e-) și electron antineutrin. Durata de viață a neutronilor este (917-14) s, adică aproximativ 15 minute. În materie, neutronii există în formă liberă și mai puțin datorită absorbției lor puternice de către nuclee. Prin urmare, ele apar în natură sau sunt produse în laborator doar ca urmare a reacțiilor nucleare.
Pe baza bilanţului energetic al diferitelor reacţii nucleare s-a determinat diferenţa dintre masele neutronului şi protonului: mn-mp(1,29344 ±0,00007) MeV. Comparând-o cu masa protonilor, obținem masa neutronilor: mn = 939,5731 ± 0,0027 MeV; aceasta corespunde mn ~ 1,6-10-24.Neutronul participă la toate tipurile de interacțiuni fundamentale. Interacțiunile puternice leagă neutronii și protonii în nucleele atomice. Un exemplu de interacțiune slabă este dezintegrarea beta a unui neutron.
Participa această particulă neutră la interacțiuni electromagnetice? Neutronul are o structură internă, iar cu neutralitate generală, există în el curenți electrici, ducând, în special, la apariția unui moment magnetic în neutron. Cu alte cuvinte, într-un câmp magnetic, un neutron se comportă ca un ac de busolă. Acesta este doar un exemplu al interacțiunii sale electromagnetice. Căutarea momentului dipol electric al neutronului, pentru care s-a obţinut o limită superioară, a căpătat un mare interes. Aici, cele mai eficiente experimente au fost efectuate de oamenii de știință de la Institutul de Fizică Nucleară Leningrad al Academiei de Științe a URSS; Căutarea momentului dipol al neutronilor este importantă pentru înțelegerea mecanismelor de încălcare a invarianței în timpul inversării timpului în microprocese.
Interacțiunile gravitaționale ale neutronilor au fost observate direct din incidența lor în câmpul gravitațional al Pământului.
O clasificare convențională a neutronilor în funcție de energia lor cinetică este acum acceptată:
neutroni lenți (<105эВ, есть много их разновидностей),
neutroni rapizi (105?108eV), de mare energie (> 108eV).
Neutronii foarte lenți (10-7 eV), care se numesc neutroni ultrareci, au proprietăți foarte interesante. S-a dovedit că neutronii ultrareci pot fi acumulați în „capcane magnetice” și spinările lor pot fi chiar orientate într-o anumită direcție acolo. Folosind câmpuri magnetice cu o configurație specială, neutronii ultrareci sunt izolați de pereții absorbanți și pot „trăi” în capcană până când se descompun. Acest lucru permite numeroase experimente subtile pentru a studia proprietățile neutronilor. O altă metodă de stocare a neutronilor ultrareci se bazează pe proprietățile undelor acestora. Astfel de neutroni pot fi pur și simplu stocați într-un „borcan” închis. Această idee a fost exprimată de către fizicianul sovietic Ya. B. Zeldovich la sfârșitul anilor 1950, iar primele rezultate au fost obținute la Dubna, la Institutul de Cercetări Nucleare, aproape un deceniu mai târziu.
Recent, oamenii de știință au reușit să construiască un vas în care trăiesc neutronii ultrareci până la degradarea lor naturală.
Neutronii liberi sunt capabili să interacționeze activ cu nucleele atomice, provocând reacții nucleare. Ca urmare a interacțiunii neutronilor lenți cu materia, se pot observa efecte de rezonanță, împrăștiere prin difracție în cristale etc. Datorită acestor proprietăți, neutronii sunt utilizați pe scară largă în fizica nucleară și în fizica stării solide. Ele joacă un rol important în energia nucleară, în producția de elemente transuraniu și izotopi radioactivi și găsesc aplicații practice în analiza chimică și explorarea geologică.
Ce este un neutron? Care sunt structura, proprietățile și funcțiile sale? Neutronii sunt cele mai mari dintre particulele care alcătuiesc atomii, elementele de bază ale întregii materii.
Structura atomica
Neutronii se găsesc în nucleu, o regiune densă a atomului plină de asemenea cu protoni (particule încărcate pozitiv). Aceste două elemente sunt ținute împreună de o forță numită nucleară. Neutronii au o sarcină neutră. Sarcina pozitivă a protonului se potrivește cu sarcina negativă a electronului pentru a crea un atom neutru. Chiar dacă neutronii din nucleu nu afectează sarcina atomului, ei au încă multe proprietăți care afectează atomul, inclusiv nivelul de radioactivitate.
Neutroni, izotopi și radioactivitate
O particulă care se află în nucleul unui atom este un neutron care este cu 0,2% mai mare decât un proton. Împreună, ele reprezintă 99,99% din masa totală a aceluiași element și pot avea un număr diferit de neutroni. Când oamenii de știință se referă la masa atomică, ei înseamnă masa atomică medie. De exemplu, carbonul are de obicei 6 neutroni și 6 protoni cu o masă atomică de 12, dar uneori se găsește cu o masă atomică de 13 (6 protoni și 7 neutroni). Carbonul cu număr atomic 14 există și el, dar este rar. Deci masa atomică a carbonului ajunge la 12.011.
Când atomii au un număr diferit de neutroni, ei se numesc izotopi. Oamenii de știință au găsit modalități de a adăuga aceste particule în nucleu pentru a crea izotopi mai mari. Acum adăugarea de neutroni nu afectează sarcina atomului, deoarece aceștia nu au nicio sarcină. Cu toate acestea, ele cresc radioactivitatea atomului. Acest lucru poate duce la atomi foarte instabili care pot descărca niveluri ridicate de energie.
Care este nucleul?
În chimie, nucleul este centrul încărcat pozitiv al unui atom, care este format din protoni și neutroni. Cuvântul „sâmbure” provine din latinescul nucleus, care este o formă a cuvântului care înseamnă „nucă” sau „sâmbure”. Termenul a fost inventat în 1844 de Michael Faraday pentru a descrie centrul unui atom. Științele implicate în studiul nucleului, studiul compoziției și caracteristicilor acestuia, se numesc fizică nucleară și chimie nucleară.
Protonii și neutronii sunt ținuți împreună de forța nucleară puternică. Electronii sunt atrași de nucleu, dar se mișcă atât de repede încât rotația lor are loc la o anumită distanță de centrul atomului. Sarcina nucleară cu semnul plus provine de la protoni, dar ce este un neutron? Aceasta este o particulă care nu are sarcină electrică. Aproape toată greutatea unui atom este conținută în nucleu, deoarece protonii și neutronii au mult mai multă masă decât electronii. Numărul de protoni dintr-un nucleu atomic determină identitatea acestuia ca element. Numărul de neutroni indică ce izotop al elementului este atomul.
Dimensiunea nucleului atomic
Nucleul este mult mai mic decât diametrul total al atomului, deoarece electronii pot fi mai departe de centru. Un atom de hidrogen este de 145.000 de ori mai mare decât nucleul său, iar un atom de uraniu este de 23.000 de ori mai mare decât centrul său. Nucleul de hidrogen este cel mai mic deoarece este format dintr-un singur proton.
Dispunerea protonilor și neutronilor în nucleu
Protonii și neutronii sunt de obicei reprezentați ca fiind împachetate împreună și distribuite uniform în sfere. Cu toate acestea, aceasta este o simplificare a structurii actuale. Fiecare nucleon (proton sau neutron) poate ocupa un anumit nivel de energie și o gamă de locații. În timp ce nucleul poate fi sferic, poate fi, de asemenea, în formă de para, sferic sau în formă de disc.
Nucleele de protoni și neutroni sunt barioni, formați din cei mai mici numiti quarci. Forța de atracție are o rază foarte scurtă, astfel încât protonii și neutronii trebuie să fie foarte aproape unul de celălalt pentru a fi legați. Această atracție puternică învinge repulsia naturală a protonilor încărcați.
Proton, neutron și electron
Un impuls puternic în dezvoltarea unei astfel de științe precum fizica nucleară a fost descoperirea neutronului (1932). Ar trebui să-i mulțumim pentru asta fizicianului englez care a fost student al lui Rutherford. Ce este un neutron? Aceasta este o particulă instabilă care, în stare liberă, se poate degrada într-un proton, electron și neutrin, așa-numita particulă neutră fără masă, în doar 15 minute.
Particula își primește numele pentru că nu are sarcină electrică, este neutră. Neutronii sunt extrem de densi. Într-o stare izolată, un neutron va avea o masă de doar 1,67·10 - 27, iar dacă luați o linguriță plină dens cu neutroni, bucata de materie rezultată va cântări milioane de tone.
Numărul de protoni din nucleul unui element se numește număr atomic. Acest număr conferă fiecărui element identitatea sa unică. În atomii unor elemente, cum ar fi carbonul, numărul de protoni din nuclee este întotdeauna același, dar numărul de neutroni poate varia. Un atom al unui element dat cu un anumit număr de neutroni în nucleu se numește izotop.
Sunt neutronii unici periculoși?
Ce este un neutron? Aceasta este o particulă care, împreună cu protonul, este inclusă în Cu toate acestea, uneori pot exista singure. Când neutronii se află în afara nucleelor atomilor, aceștia dobândesc proprietăți potențial periculoase. Când se mișcă la viteze mari, produc radiații mortale. Așa-numitele bombe cu neutroni, cunoscute pentru capacitatea lor de a ucide oameni și animale, au totuși un efect minim asupra structurilor fizice nevii.
Neutronii sunt o parte foarte importantă a atomului. Densitatea mare a acestor particule, combinată cu viteza lor, le conferă putere și energie distructivă extremă. Drept urmare, ei pot altera sau chiar rupe nucleele atomilor pe care îi lovesc. Deși un neutron are o sarcină electrică neutră netă, este compus din componente încărcate care se anulează reciproc în ceea ce privește sarcina.
Un neutron dintr-un atom este o particulă minusculă. La fel ca protonii, ei sunt prea mici pentru a fi văzuți chiar și cu un microscop electronic, dar sunt acolo pentru că doar așa se explică comportamentul atomilor. Neutronii sunt foarte importanți pentru stabilitatea unui atom, dar în afara centrului său atomic ei nu pot exista mult timp și se descompun în medie în doar 885 de secunde (aproximativ 15 minute).
