Атом и атомное ядро

 

В 1911г. Резерфорд на основе экспериментальных исследований предложил современную планетарную модель атома: в центре атома находится массивное положительно заряженное ядро диаметром порядка 10-15 м, вокруг которого по орбитам вращаются электроны, создавая электронную оболочку атома диаметром порядка 10-10 м. Заряд ядра равен суммарному заряду отрицательно заряженных электронов, так, что в целом, атом электрически нейтрален.

Однако, резерфордовская модель атома противоречила известным законам классической электродинамики: всякий движущийся электрический заряд (имеется в виду заряд электрона на орбите атома) должен излучать электромагнитные волны. Они должны уносить часть энергии электрона, скорость его должна уменьшаться, а частота вращения плавно увеличиваться. При этом спектр излучения атома должен быть сплошным, на самом же деле спектр атомов линейчатый. К тому же электрон должен упасть на ядро, теряя энергию, поэтому такой атом должен быть нестабильным, что противоречит реальности.

Анализируя эти противоречия, Нильс Бор предложил постулаты, описывающие свойства атомов:

1.   В атомах существуют особые стационарные орбиты электронов, двигаясь по которым они не излучают и не поглощают энергию. Находясь в таких состояниях, электрон в атоме имеет энергии, образующие дискретный ряд значений: Е1, Е2, Е3…Еn, которые называют уровнями энергии электрона в атоме.

2.   Атом излучает или поглощает квант энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое.

Если электрон находится на первой орбите, то его энергия наименьшая из возможных – это нормальное состояние атома. При переходе электрона на орбиту большего радиуса его энергия возрастает. Такой переход может произойти только тогда, когда атом получит энергию извне (при поглощении кванта света или при столкновении с другими атомами или частицами). Переход электрона с орбиты n = 1 на орбиту с большим n ведет к возбуждению атома. Такое состояние атома мало устойчиво и через некоторое малое время электрон возвращается в свое нормальное состояние. При этом испускается монохроматическое излучение (квант света с определенной частотой ν, которой в спектре соответствует определенная линия). Частота ν этого излучения может быть определена из соотношения:

где       ν – частота, излучаемая атомом при переходе электрона с m-ой орбиты на n-ю;

Em – энергия атома для m-ой орбиты до излучения;

En – энергия атома после излучения для n-й орбиты.

Энергия e испущенного или поглощенного кванта может быть определена для атома водорода при переходе электрона с одной орбиты на другую

где       Ei = 21,8·10-19 Дж = 13,6 эВ – энергия ионизации атома.

Возможны различные варианты ступенчатого перехода электрона в атоме с одной орбиты на другую. Эти переходы приводят к наблюдению различных линий в спектрах излучения (поглощения) атома.

Атомное ядро любого электрона состоит из двух видов частиц: протонов (Р) – положительно заряженных частиц и нейтронов (n) – незаряженных частиц. Все частицы, находящиеся в ядре атома, называются нуклоны. Элементарный заряд протона (или электрона) принимают в относительных единицах, равным единице (+ 1).

Основными характеристиками ядра являются заряд (равный порядковому номеру элемента в таблице Менделеева Z) и его массовое число М (целочисленное значение атомного веса вещества, равное числу нуклонов в ядре).

Ядро любого элемента обозначают:

из которого всегда можно подсчитать число протонов (Nр = Z), нейтронов (Nn = MZ) и нуклонов (Nнуклонов = М) в ядре.

Примеры:

ядро водорода:            (протон );

ядро гелия:                  ( – альфа-частица; 2 протона, 2 нейтрона, 4 нуклона);

ядро урана:      (92 протона, 142 нейтрона, 234 нуклона);

электрон:                     ().

Внутри ядер действуют очень сильные ядерные силы, удерживающие нуклоны, но являются они короткодействующими (действуют на очень маленьких расстояниях).

Опыт показывает, что масса ядра атома mя всегда меньше суммарной массы нуклонов, входящих в состав ядра. Разность между этими массами называется дефектом массы Dm:

Dm = [Zmp + (М - Z)·mn] - mя

Потеря массы Dm связана с энергией, которая выделяется при образовании ядра DЕ = D mс2, которая обозначается Есв (равная DЕ) и называется энергия связи ядра (характеризует прочность ядра).

                                               Есв = D mс2

Энергия связи, рассчитанная на один нуклон, называется удельной энергией связи Еуд.св:

Ядра одного и того же элемента Z с разными массовыми числами М называются изотопы (радионуклиды).Изотопы есть у всех элементов. Вещество представляет собой смесь изотопов в определенной пропорции. Есть стабильные и нестабильные изотопы.

Пример: ядро водорода , дейтерий , тритий .

Ядра атомов нельзя разрушить ни нагреванием, ни охлаждением. Для их разрушения (превращение в другие ядра) нужны значительные затраты энергии.

Ядерными реакциями называются превращения ядер, вызванных взаимодействиями между собой или с элементарными частицами.

Пример:

При ядерных реакциях, выполняются законы сохранения:

1. Закон сохранения зарядового числа.

2. Закон сохранения массового числа.

Ядра одних элементов могут превращаться в ядра других элементов, как самопроизвольно, так и искусственно.

В 1896г. французский физик Беккерель обнаружил, что соли урана испускают какие-то невидимые лучи, обладающие большой проникающей способностью. Это явление получило название радиоактивности. Изучение ее показало, что ядра некоторых элементов (радиоизотопов) обладают способностью испускать a-частицы (ядра атома гелия ), -частицы (электроны) и g-лучи (электромагнитные волны с частотой ~ 1020 Гц). Испуская a, b, и g-лучи, ядра одного элемента превращаются в ядра других элементов (радиоактивный распад).

При радиоактивном распаде выполняются правила смещения, позволяющие определить принадлежность ядра –продукта по радиоактивности:

1)

2)

 

При радиоактивном распаде выполняется также закон радиоактивного распада, по которому можно определить число атомов оставшихся N от первоначально взятого N0 за время t (или число распавшихся DN = N0N за время t):

где Т – период полураспада (время, в течение которого распадается половина первоначально взятого вещества).

Этот закон можно записать через массу: