Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.
Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются: 
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
Cтраница 1
Величина заряда ядра атома обусловлена количеством протонов, нахо-инцихся в ядре. Масса же атома зависит от количества протонов и нейтронов н ядре.
Атомные или порядковые номера численно совпали с величиной заряда ядра атома, выраженной в электронных единицах.
Атомные (или порядковые) номера численно совпадают с величиной заряда ядра атома, выраженной в электронных единицах.
В 1913 г. Мозли открыл закон, сущность которого заключалась в том, что величина зарядов ядер атомов последовательно возрастает от элемента к элементу на единицу.
Но для создания такой научно обоснованной теории строения атома необходимо было располагать представлениями о величине заряда ядра атома и о числе электронов в атомной оболочке.
Формула Резерфорда (III.4) позволяет по числу отклоненных а-частиц в определенный телесный угол dn и числу N определить величину заряда ядра атома Ze , поскольку все остальные величины могут быть измерены.
Выяснилось, что естественная классификация элементов, данная Д. И. Менделеевым в его периодической системе, находится в строгом соответствии с величинами зарядов ядер атомов.
Так било найдено свойство атомов, от которого зависит их положение в периодической системе: место химического элемента в системе Менделеева определяется величиной заряда ядра атомов этого элемента.
Точно так же и длина волн лучей Рентгена зависит не только от скорости электронов, но и от вещества, которое электроны ударяются. Как установил Мозли она зависит от величины заряда ядра атома того эле мента, из которого состоит вещество.
Заряд нейтрона равен нулю. Следовательно, нейтроны не играют роли в величине заряда ядра атома. Этой же величине равен и порядковый номер хрома.
Согласно этой модели, атом представляет собой систему, состоящую из маленького положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена практически вся масса атома, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Кроме того установленный закон рассеяния сделал возможным определение величины зарядов ядер атомов, так как, согласно формуле Резерфор-да, интенсивность рассеяния под данным углом пропорциональна квадрату заряда ядра. Именно в результате анализа опытов по рассеянию а-частиц в различных веществах были впервые определены величины зарядов ядер ряда атомов. Мозли установил, что частоты К-ллштш характеристического рентгеновского излучения элементов монотонно возрастают с увеличением порядкового номера элемента в таблице Менделеева. Корень квадратный из частоты / (- линий пропорционален (Z - 1), где Z - атомный номер, отождествленный с числом единиц положительного заряда в ядре. Число Z, которое также равно числу электронов в нейтральном атоме, очевидно, однозначно определяет химические свойства элемента.
Страницы: 1
Основными существующими в данное время понятиями ядра атома являются его масса и заряд. Заряд ядра представляет определенное количество положительных элементарных зарядов. Заряд атома является нейтральным, его величиной определяется числом электронов в атоме. Заряд определяет химический элемент. Величина заряда ядра равна произведению элементарного заряда на зарядовое число ядра, равное порядковому номеру элемента.
Масса ядра практически равна массе атома. За единицу массы атома принимается 1/16 массы атома кислорода или 1/12 массы изотопа углерода. С большой точностью определенны массы атомов. При этом было обнаружено разновидность атомов конкретного химического элемента, т.е. изотопов, обладающих одинаковым зарядом, но различающимися массой. Атомные веса изотопов называются атомными массами. Каждый химический элемент имеет определенное процентное содержание изотопов.
На основании этого следует, что каждому химическому элементу соответствует определенный атомный вес, представляющий средний значение масс. Изотопные массы выражаются целыми числами. Целое число, ближайшее к атомному весу, выраженное в атомных единицах массы, называется массовым числом – А . Ядра, обладающие одинаковой массой, но разными зарядами, называются изобарами.
Спин и магнитный момент ядра
С повышением разрешающей способности спектральных приборов было обнаружено явление сверхтонкой структуры. В. Паули выдвинул предположение, что, явление связано со спином ядра атома.
Спин ядра складывается из спинов составляющих его частиц и представлен моментами количества движения ядерных частиц в ядре. Спин ядра, состоящего из четного числа частиц, является целым числом, выраженный в единицах h . И, наоборот, из нечетного числа, спин ядра является полуцелым.
Атомные ядра имеют магнитные моменты. Магнитный момент ядра состоит из магнитных моментов ядерных частиц. Избирательное поглощение электромагнитного излучения веществом обуславливается с переходами его ядер между разными энергетическими подуровнями. По аналогии с расщеплением энергетических уровней электронов существует расщепление энергетических уровней ядра на ряд подуровней. Воздействием переменного магнитного поля с соответствующими частотами переходов между подуровнями приводит к избирательному поглощению излучения.
Для измерения магнитного момента нейтрона был проведен видоизмененный вариант метода магнитного резонанса. Результатом этого опыта было определение, что нейтрон имеет отрицательный магнитный момент.
Магнитный момент протона был определен методом отклонения молекулярного пучка. Этот опыт аналогичен методу Штерна и Герлаха.
Положительный знак магнитного момента протона определяет совпадения направления магнитного момента протона и его спина. У нейтрона направления магнитного момента противоположно его спину.
Состав ядра
При измерениях масс – спектроскопических характеристик ядра было обнаружено, что массы изотопов атомов больше по величине зарядов этих атомов. При увеличении зарядового числа эта разница увеличивается. Также было установлено, что массы ядер в а.е.м. имеют целочисленные числа, т.е. ядро состоит из частиц одинаковой массы.
Д.Д. Иваненко было сформулирована гипотеза о протонно-нейтронном строении ядра. Согласно этой теории заряд ядра – Z определяет количество протонов, а разность А – Z дает количество нейтронов. Элементарные частицы ядра-протона принято называть нуклонами. Частица нуклон имеет заряд +е в протонном состоянии и заряд – 0 в нейтронном состоянии.
Энергия связи ядра
Ядро атома представляет собой очень устойчивое образование. Эта устойчивость основана на особом взаимодействии между нуклонами. На основании этого введены понятия энергия связи нуклона, как физической величины равной работе, которую нужно совершить для удаления данного нуклона из ядра без придания ему кинетической энергии и энергии связи ядра, как работу, которую нужно совершить для расщепления ядра на нуклоны без придания им кинетической энергии.
Таким образом, разность между суммарной энергии свободных нуклонов, составляющих данное ядро и энергий в ядре, выражает энергию связи атомного ядра.
В главе 6 дается общее описание процесса возникновения вещества с химическими свойствами. В этом природном процессе образовываются массы всех ядер таблицы Менделеева. При образовании определенного химического элемента в состав ядра входят протоны и нейтроны. Соотношения этих частиц в ядре не постоянно. В одном случае число нейтронов может быть больше, в другом – меньше, но количество протонов не может превышать количество нейтронов. В данной теории предлагается, что при образовании атомов протону был придан крутящий момент, нейтрон не получил этой энергии. Отсюда вытекает разнообразие атомов одного химического элемента, т.е. изотопов. Таким образом, при выбросе струй нейтронного вещества квазаром, большинство нейтронов не получают спина, т.е. протоны составляют меньше половины массы вещества с химическими свойствами.
Элементарная частиц нуклон в форме протона атома водорода имеет наибольшую скорость спина. Следующий по таблице Менделеева идет атом гелия, имеющий два протона и два нейтрона. Каждый протон гелия затрачивает свою энергию на придание скорости одному нейтрону. Общее количество движения ядра атома гелия не меняется. Эта энергия лишь распределяется между протонами и нейтронами. Скорость протона уменьшается в два паза, с половины скорости света до одной четвертой:
V ср. = c / 4.
Половина энергии протона ушла к нейтрону, тем самым снизилась давление среды матричного вакуума на атом гелия в два раза. Величина момента импульса электрона также изменилась.
Таким образом, заряд атома гелия не меняется, т.е. взаимодействие общего крутящего момента его ядра со средой матричного вакуума не меняется.
Если нуклон будет образован из нейтронов, то соответственно не будет крутящего момента у системы, т.е. заряд будет равен нулю. Нейтрон мог бы существовать во времени продолжительно долго, но в изолированной среде. Но среда вакуума пронизана большим диапазоном электромагнитного излучения. И нейтрон постоянно испытывает это действие и, в конце концов, распадается на элементарные кванты действия.
Среди тяжелых ядер встречается образования, где при одинаковой массе, количество протонов меняется. А, следовательно, меняется крутящий момент ядра, т.е. его заряд.
В ядерной физике принято, что специфику химического элемента определяет заряд ядра. В триаде химических элементов Zr, Mo, Ru массовое число имеет одинаковую величину, а заряд, т.е. крутящий момент этих ядер различный. Это различие заключается в том, что в состав этих ядер входит разное количество протонов. Спины циркония, молибдена, рутения определяют количество электронов на внешней оболочке. В этом выражается химическая индивидуальность этих элементов.
В главе «Квантовая механика «было дано понятие тонкой структуры спектральных линий на 6 А. Причиной этому являлось постоянная плотность фотонов в среде матричного вакуума.
Обнаруженное расщепление сверхтонкой структуры спектральных линий также обосновывается понятием постоянной плотности фотонов в среде матричного вакуума. Этот спектр фотонов включает в себя от ультрафиолетовых лучей до гамма-излучения. Но движения этих лучей хаотическое и распространяется на весь объем пространства, где находится вещество среды матричного и входит во взаимодействие с наружными электронами атомов вещества. В опыте А.Н. Теренина и Л.Н. Добрецова линия равная 5890 А укрупняется на фотон 0, 021 А и линия 5896 А – на 0,023 А. Это минимальное укрупнение обнаружено благодаря увеличению разрешающей способности приборов.
Аналогично электрону ядро атома также вращается вокруг своей оси по принципу перемещения материального тела в среде вакуума. Спин ядра эта вращение самого ядра и прижатой к нему средой вакуума волны де Бройля. При движении этой волны, она раздвигает матричный вакуум на свой объем. И ее кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию среды вакуума, т.е. частицы среды сжимаются. Затем среда вакуума обратно передает свою энергию ядру атома. Процесс раздвижения среды, т.е. движение вакуума, есть магнитный момент ядра. Эта волна выглядит как диск. Скорость вращения у разных химических элементов различная, но она не превышает линейной скорости ядра атома водорода.
В опыте по измерению магнитного резонанса. Нейтроны проходили через два ферромагнетика. При прохождении через магниты, ему была придана изначальная скорость. Движение нейтрона определяется принципом перемещения материального тела в среде матричного вакуума. Ней трон раздвигает окружающие его частицы среды вакуума, они получают движение. Любое движение частиц среды вакуума представляет магнитное поле.
В атомном ядре нейтроны т протоны относительно друг друга находятся в состоянии покоя. Прочная связь ядра осуществляется средой вакуума. Она постоянно давит на площадь сферы ядерного вещества. Рассчитаем объем этого вещества в атоме водорода:
V яд = V в · N яд = 1,86·10 –41 м 3 ,
где N яд – количество лишних частиц среды вакуума в протоне.
Радиус ядерного вещества протона равен:
R яд = 1,6·10 –14 м
Определим давление на поверхности ядра атома водорода:
Р яд = Н вод / 4πR 2 яд = 4,6·10 7 кг/м 2
Площадь ядерного вещества в протоне, на которую давит вакуум, равна:
S яд = 4πR 2 яд = 3,4·10 –27 м 2 .
Сила вакуума на эту площадь определяется:
F яд = S яд · Р яд = 2,5·10 –19 кг.
Вычислим, какое давление будет в ядре протона на площади вакуума при половине радиуса протона:
R = 1/2 R яд.
Количество лишних частиц уменьшается в восемь раз:
n = 3,15·10 5 .
Объем этих частиц составит:
V = V м.в. = 2,3·10 –42 м 3 ,
R = 0,81·10 –14 м.
Напряженность на поверхности протона равна Н = 2,5·10 –19 кг, тогда давление на радиусе равным R яд /2 будет:
Р = Н / 4πR 2 = 3,0·10 8 кг/м 2 .
Как видно давление в протоне при уменьшении его радиуса увеличивается. Это явление представляет ядерные силы.
Рассчитаем давление на поверхности ядра атома гелия.
Напряженность, создаваемая спином ядра в среде вакуума, равна:
Н гел = 2 Н вод = 5,0·10 –19 кг.
Количество лишних частиц в ядре:
N гел = 4 N яд = 1,0·10 7
Объем ядерного вещества в ядре гелия:
V гел. = V м.в. · N гел = 7,5·10 –41 м 3 ,
R = 2,6·10 –14 м
Давление на поверхности ядра:
Р = Н гел / 4πR 2 = 5,9·10 7 кг/м 2
Давление в атоме гелия возросло в 3,5 раза.
Величина давления на поверхности ядер химических элементов различна. В начале периодической системы Менделеева это давление составляет от 1,8·10 7 кг/м 2 до 9,5·10 7 кг/м 2 .
В средней части таблицы Менделеева давление составляет от 1,1·10 8 – 1,57·10 8 кг/м 2 .
По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре давление также увеличивается.
Как указывалось, при возрастании масса химического элемента заряд не уменьшается, а окружная скорость ядра уменьшается. Отсюда можно выразить.
Средняя скорость i – химического элемента:
V ср · i = с / 2n ,
где n = А / z ; А – массовое число; i – химического элемента; z – зарядовое число.
В явлении естественной радиоактивности характерно превращение одних атомных ядер в другие. Имеются и легкие естественно – радиоактивные ядра: изотопы K, C, Rb и др. Как указывает практика, изотопная масса увеличивается почти целыми числами, т.е. за счет увеличения числа нейтронов. То есть при этом увеличивается давление среды вакуума на поверхности ядра изотопа и уменьшается окружная скорость ядра химического элемента.
У тяжелых химических элементов окружная скорость ядер уменьшается более чем в два с половиной раза. У ядра трития эта скорость снижается до 60 км/с.
Среда вакуума вокруг любого ядра имеет среднюю плотность фотонов. При снижении окружной скорости ядра фотона от инфракрасного до гамма-излучения имеют большую возможность достигнуть поверхности ядра. Это проникновение фотонов к ядру происходит с поверхности полюсов атома. Нуклон ядра, получив энергию фотона, увеличивает свою скорость и покидает атом. В целом в этом механизме заключается явление радиации.
Таким образом, прочная связь, существующая между нуклонами в ядре, осуществляется ответной реакцией среды вакуума на напряженность ядра в вакууме. Среда вакуума постоянно давит на площадь сферы ядра и придает им одинаковую геометрическую форму. Основная энергия, которая содержится в ядре атома водород, заключена в его спине. На ядро постоянно действуют внешние силы. И ядро безостановочно имеет перемещения по всем трем координатам. Соответственно и волна де Бройля, также вращается в пространстве. Вследствие этого возникает явление прецессии электрона.
При вращении ядра его волна де Бройля практически находится в каждой точке сферы атома. Площадь точки является площадью электрона, который находится на орбите атома. То есть радиуса действия волна де Бройля показывает максимальное ее действие от ядра.
Величина работы, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны, должны быть не меньше энергии самого спина ядра. Понятие расщепление ядра эквивалентно его остановке. Волна де Бройля, т.е. сам спин постоянно меняет свое местоположение на сфере атома и целенаправленно воздействовать на него затруднительно. Для этого необходима энергия, которая по величине была бы не меньше энергии спина ядра в каждой точке сфера атома. Если воздействие на ядро будет составлять хотя бы половину необходимой величины, то ядро, т.е. атом, будет двигаться в направлении противоположном воздействию этой силы. Ядро как бы будет отскакивать от этой силы, подобно волчку при соприкосновении его с предметом.
Для расчета работы по расщеплению ядра необходимо величину его спина умножить на количество площадей электрона:
W рас. = N · L пр. ,
где L пр. – отталкивающий момент протона.
Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.
Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .
В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.
Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .
В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.
Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .
Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .
Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:
| , | (9.1.1) |
где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.
Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.
Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.
Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :
 ,
|
(9.1.2) |
где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.
Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).
Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:
| . | (9.1.3) |
Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.
Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .
Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:
| , | (9.1.4) |
где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .
Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.
Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения
 ,
|
(9.1.5) |
где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | ЗАРЯД ЯДРА |
| Рубрика (тематическая категория) | Радио |
Физические свойства атомных ядер.
Размещено на реф.рф
Заряд ядра. Размер ядра. Моменты ядер.
Размещено на реф.рф
Спин ядра. Магнитный и электрический моменты ядра. Масса ядра и масса атома. Дефект массы. Энергия связи. Основные особенности энергии связи. Основное правило. Ядерные силы: основные характеристики, кулоновский и ядерный потенциалы ядра. Обменный характер ядерных сил.
Закон Мозли. Электрический заряд ядра образуют протоны, входящие в его состав. Число протонов Z называют его зарядом, имея ввиду, что абсолютное значение заряда ядра равно Ze. Заряд ядра совпадает с порядковым номером Z элемента в периодической системе элементов Менделеева. Впервые заряды атомных ядер определил английский физик Мозли в 1913 году. Измерив с помощью кристалла длину волны λ характеристического рентгеновского излучения для атомов некоторых элементов, Мозли обнаружил регулярное изменение длины волны λ у элементов, следующих друг за другом в периодической системе (рис.2.1). Это наблюдение Мозли интерпретировал зависимостью λ от некоторой константы атома Z , изменяющейся на единицу от элемента к элементу и равной единице для водорода:
где и - постоянные. Из экспериментов по рассеянию рентгеновских квантов атомными электронами и α -частиц атомными ядрами уже было известно, что заряд ядра примерно равен половине атомной массы и, следовательно, близок к порядковому номеру элемента. Поскольку испускание характеристического рентгеновского излучения является следствием электрических процессов в атоме, Мозли сделал вывод, что найденная в его опытах константа атомов, определяющая длину волны характеристического рентгеновского излучения и совпадающая с порядковым номером элемента͵ должна быть только зарядом атомного ядра (закон Мозли).
Рис. 2.1. Рентгеновские спектры атомов соседних элементов, полученные Мозли
Измерение длин волн рентгеновского излучения выполняется с большой точностью, так что на базе закона Мозли принадлежность атома к химическому элементу устанавливается абсолютно надежно. Вместе с тем тот факт, что константа Z в последнем уравнении является зарядом ядра, хотя и обоснован косвенными экспериментами, в конечном счете держится на постулате – законе Мозли. По этой причине после открытия Мозли заряды ядер многократно измерялись в опытах по рассеянию α -частиц на базе закона Кулона. В 1920 году Чедвиг усовершенствовал методику измерения доли рассеянных α -частиц и получил заряды ядер атомов меди, серебра и платины (см. таблицу 2.1). Данные Чедвига не оставляют сомнений в справедливости закона Мозли. Помимо указанных элементов в экспериментах были определены также заряды ядер магния, алюминия, аргона и золота.
Таблица 2.1. Результаты опытов Чедвика
Определения. После открытия Мозли стало ясно, что основной характеристикой атома является заряд ядра, а не его атомная масса, как это предполагали химики 19 века, ибо заряд ядра определяет число атомных электронов, а значит, химические свойства атомов. Причина различия атомов химических элементов как раз и состоит в том, что их ядра имеют разное число протонов в своем составе. Напротив, разное число нейтронов в ядрах атомов при одинаковом числе протонов никак не меняет химические свойства атомов. Атомы, различающиеся только числом нейтронов в ядрах, называются изотопами химического элемента.
Атом с определенным числом протонов и нейтронов в составе ядра принято называть нуклидом. Состав ядра задается числами Z и A . Об изотопе говорят только имея ввиду принадлежность к химическому элементу, к примеру, 235 U есть изотоп урана, но 235 U – делящийся нуклид, а не делящийся изотоп.
Атомы, ядра которых содержат одинаковое число нейтронов, но разное число протонов, называются изотонами. Атомы с одинаковыми массовыми числами, но различным протон-нейтронным составом ядер, называются изобарами.
ЗАРЯД ЯДРА - понятие и виды. Классификация и особенности категории "ЗАРЯД ЯДРА" 2017, 2018.