Чему равен заряд ядра атоме. Атомное ядро: заряд ядра

Строение атома – это одна из базовых тем курса химии, которая основана на знании пользоваться таблицей «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева». Это не только классифицированные и расположенные по определенным законам химические элементы, но и кладезь информации, в том числе и о строении атома . Зная особенности чтения этого неповторимого справочного материала, дозволено дать полную добротную и количественную колляцию атому.

Вам понадобится

• Таблица Д.И.Менделеева

Инструкция

1. В таблице Д.И.Менделеева, как в многоэтажном многоквартирном доме «живут» химические элементы, весь из которых занимает свою собственную квартиру. Таким образом, всякий из элементов имеет определенный порядковый номер, указанный в таблице. Нумерация химических элементов начинается слева направо, причем сверху. В таблице горизонтальные ряды именуются периодами, а вертикальные столбцы – группами. Это немаловажно, так как по номеру группы либо периода дозволено также дать колляцию некоторым параметрам атома .

2. Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из больше мелких комбинированных частей, к которым дозволено отнести протоны (правильно заряженные частицы), электроны (заряжены негативно) и нейтроны (нейтральные частицы). Основная масса атома сфокусирована в ядре (за счет протонов и нейтронов), вокруг которого вращаются электроны. В совокупности атом электронейтрален, то есть в нем число правильных зарядов совпадает с числом негативных, следственно, число протонов и электронов идентично. Правильный заряд ядра атома имеет место быть как раз за счет протонов.

3. Нужно запомнить, что порядковый номер химического элемента количественно совпадает с зарядом ядра атома . Следственно, дабы определить заряд ядра атома нужно посмотреть, под каким номером находится данный химический элемент.

4. Пример № 1. Определить заряд ядра атома углерода (С). Начинаем исследовать химический элемент углерод, ориентируясь на таблицу Д.И.Менделеева. Углерод находится в «квартире» № 6. Следственно, он имеет заряд ядра +6 за счет 6 протонов (правильно заряженных частиц), которые располагаются в ядре. Рассматривая, что атом электронейтрален, значит, электронов тоже будет 6.

5. Пример № 2. Определить заряд ядра атома алюминия (Al). Алюминий имеет порядковый номер – № 13. Следственно, заряд ядра атома алюминия +13 (за счет 13 протонов). Электронов также будет 13.

6. Пример № 3. Определить заряд ядра атома серебра (Ag). Серебро имеет порядковый номер – № 47. Значит, заряд ядра атома серебра + 47 (за счет 47 протонов). Электронов также 47.

Атом химического элемента состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро – это центральная часть атома, в котором сконцентрирована примерно каждая его масса. В различие от электронной оболочки, ядро имеет правильный заряд .

Вам понадобится

• Атомный номер химического элемента, закон Мозли

Инструкция

1. Ядро атома состоит из 2-х типов частиц – протонов и нейтронов. Нейтроны являются электронейтральными частицами, то есть их электрический заряд равен нуля. Протоны являются позитивно заряженными частицами и их электрический заряд равен +1.

2. Таким образом, заряд ядра равен числу протонов. В свою очередь, число протонов в ядре равно ядерному номеру химического элемента. К примеру, ядерный номер водорода – 1, то есть ядро водорода состоит из одного протона имеет заряд +1. Ядерный номер натрия – 11, заряд его ядра равен +11.

3. При альфа-распаде ядра его его ядерный номер уменьшается на два за счет испускания альфа-частицы (ядра атома гелия). Таким образом, число протонов в ядре, испытавшем альфа-распад, также уменьшается на два.Бета-распад может протекать в 3 разных видах. В случае распада «бета-минус» нейтрон превращается в протон при испускании электрона и антинейтрино. Тогда заряд ядра возрастает на единицу.В случае распада «бета-плюс» протон превращается в нейтрон, позитрон и нйтрино, заряд ядра уменьшается на единицу.В случае электронного захвата заряд ядра также уменьшается на единицу.

4. Заряд ядра дозволено также определить по частоте спектральных линий характеристического излучения атома. Согласно закону Мозли: sqrt(v/R) = (Z-S)/n, где v – спектральная частота характеристического излучения, R – непрерывная Ридберга, S – непрерывная экранирования, n – основное квантовое число.Таким образом, Z = n*sqrt(v/r)+s.

Видео по теме

Атом – мельчайшая частица всего элемента, которая несет его химические свойства. Как существование, так и строение атома являлось предметом рассуждений и постижений с древних времен. Было установлено, что строение атомов сродни строению Ясной системы: в центре ядро, занимающее дюже немного места, но сфокусировавшее в себе примерно всю массу; вокруг него вращаются «планеты» – электроны, несущие негативные заряды . А как дозволено обнаружить заряд ядра атома?

Инструкция

1. Всякий атом электрически нейтрален. Но, от того что электроны несут негативные заряды , они обязаны быть уравновешены противоположными зарядами. Так и есть. Позитивные заряды несут частицы под наименованием «протоны», расположенные в ядре атома. Протон значительно громоздче электрона: он весит столько же, сколько 1836 электронов!

2. Самый примитивный случай – атом водорода первого элемента Периодической таблицы. Посмотрев в таблицу, вы удостоверитесь, что он занимает место под первым номером, а его ядро состоит из исключительного протона, вокруг которого вращается исключительный электрон. Из этого следует, что заряд ядра атома водорода равен +1.

3. Ядра других элементов состоят теснее не только из протонов, но и из так называемых «нейтронов». Как вы легко можете осознать из самого наименования, нейтроны вообще не несут никакого заряда – ни негативного, ни правильного. Следственно запомните: сколько бы нейтронов не входило в состав ядерного ядра , они влияют лишь на его массу, но не на заряд.

4. Следственно, величина позитивно заряда ядра атома зависит лишь от того, сколько протонов в нем содержится. Но от того что, как теснее указывалось, атом электрически нейтрален, в его ядре должно содержаться столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг ядра . Число же протонов определяется порядковым номером элемента в Таблице Менделеева.

5. Разглядите несколько элементов. Скажем, знаменитый и животрепещуще нужный кислород находится в «ячейке» под номером 8. Следственно, в его ядре содержатся 8 протонов, и заряд ядра будет +8. Сталь занимает «ячейку» с номером 26, и, соответственно, имеет заряд ядра +26. А порядочный металл – золото, с порядковым номером 79 – будет иметь верно такой же заряд ядра (79), со знаком +. Соответственно, в атоме кислорода содержится 8 электронов, в атоме железа – 26, а в атоме золота – 79.

Видео по теме

В обыкновенных условиях атом электрически нейтрален. При этом ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, заряжено одобрительно, а электроны несут негативный заряд. При избытке либо недостатке электронов атом превращается в ион.

Инструкция

1. Всякий химический элемент имеет свой неповторимый заряд ядра. Именно заряд определяет номер элемента в периодической системе. Так, ядро водорода имеет заряд +1, гелия +2, лития +3, бериллия +4 и т.д. Таким образом, если вестим элемент, заряд ядра его атома дозволено определить из таблицы Менделеева.

2. От того что при обыкновенных условиях атом электрически нейтрален, число электронов соответствует заряду ядра атома. Негативный заряд электронов компенсируется позитивным зарядом ядра. Электростатические силы удерживают электронные облака возле атома, что обеспечивает его стабильность.

3. При воздействии определенных условий у атома дозволено отнимать электроны либо присоединять к нему добавочные. Если отнять электрон от атома, атом превращается в катион – правильно заряженный ион. При избыточном числе электронов атом становится анионом – негативно заряженным ионом.

4. Химические соединения могут иметь молекулярную либо ионную природу. Молекулы также электрически нейтральны, а ионы несут в себе определенный заряд. Так, молекула аммиака NH3 нейтральна, а вот ион аммония NH4+ заряжен правильно. Связи между атомами в молекуле аммиака ковалентные, образованные по обменному типу. Четвертый атом водорода присоединяется по донорно-акцепторному механизму, это тоже ковалентная связь. Аммоний образуется при взаимодействии аммиака с растворами кислот.

5. Главно понимать, что заряд ядра элемента не зависит от химических перевоплощений. Сколько электронов ни добавляй и ни отнимай, заряд ядра останется тем же. К примеру, атом O, анион O- и катион O+ характеризуются одним и тем же зарядом ядра +8. При этом атом имеет 8 электронов, анион 9, катион – 7. Само ядро дозволено изменить только путем ядерных метаморфоз.

6. Особенно частый вид ядерных реакций – радиоактивный распад, тот, что может происходить в натуральной среде. Ядерная масса элементов, подвергающихся в природе такому распаду, заключена в квадратные скобки. Это обозначает, что массовое число непостоянно, меняется на протяжении времени.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева серебро имеет порядковый номер 47 и обозначение «Ag» (argentum). Наименование этого металла, возможно, случилось от латинского «argos», что обозначает «белый», «блистающий».

Инструкция

1. Серебро было знаменито обществу еще в IV тысячелетии до нашей эпохи. В Старинном Египте его называли даже «белым золотом». Данный дорогой металл встречается в природе как в самородном виде, так и в виде соединений, скажем, сульфидов. Серебряные самородки владеют огромным весом и зачастую содержат примеси золота, ртути, меди, платины, сурьмы и висмута.

2. Химические свойства серебра.Серебро относится к группе переходных металлов и владеет всеми свойствами металлов. Впрочем химическая активность серебра невелика – в электрохимическом ряду напряжений металлов оно находится правее водорода, примерно в самом конце. В соединениях серебро почаще каждого проявляет степень окисления +1.

3. При обыкновенных условиях серебро не реагирует с кислородом, водородом, азотом, углеродом, кремнием, но взаимодействует с серой, образуя сульфид серебра: 2Ag+S=Ag2S. При нагревании серебро взаимодействует с галогенами: 2Ag+Cl2=2AgCl?.

4. Растворимый нитрат серебра AgNO3 применяется для добротного определения галогенид-ионов в растворе – (Cl-), (Br-), (I-): (Ag+)+(Hal-)=AgHal?. К примеру, при взаимодействии с анионами хлора серебро дает нерастворимый белый осадок AgCl?.

5. Отчего серебряные изделия меркнут на воздухе?Повод постепенного потемнения изделий из серебра объясняется тем, что серебро реагирует с содержащимся в воздухе сероводородом. В итоге этого на поверхности металла образуется пленка Ag2S: 4Ag+2H2S+O2=2Ag2S+2H2O.

6. Как серебро взаимодействует с кислотами?С разбавленными соляной и серной кислотами серебро, как и медь, не взаимодействует, от того что является металлом низкой активности и не может вытеснять из них водород. Кислоты-окислители, азотная и концентрированная серная кислоты, растворяют серебро: 2Ag+2H2SO4(конц.)=Ag2SO4+SO2?+2H2O; Ag+2HNO3(конц.)=AgNO3+NO2?+H2O; 3Ag+4HNO3(разб.)=3AgNO3+NO?+2H2O.

7. Если к раствору нитрата серебра добавить щелочь, получится темно-каштановый осадок оксида серебра Ag2O: 2AgNO3+2NaOH=Ag2O?+2NaNO3+H2O.

8. Как и соединения одновалентной меди, нерастворимые осадки AgCl и Ag2O способны растворяться в растворах аммиака, давая комплексные соединения: AgCl+2NH3=Cl; Ag2O+4NH3+H2O=2OH. Последнее соединение зачастую используют в органической химии в реакции «серебряного зеркала» – добротной реакции на альдегидную группу.

Углерод – это один из химических элементов, имеющий в периодической таблице символ С. Его порядковый номер – 6, ядерная масса – 12,0107 г/моль, радиус атома – 91 пм. Своим наименованием углерод обязан русским химикам, которые вначале присвоили элементу имя «углетвор», после этого трансформировавшееся в нынешнее.

Инструкция

1. Применялся углерод в промышленности еще глубокой древности, когда кузнецы использовали его при выплавке металлов. Обширно знамениты две аллотропные модификации химического элемента – алмаз, применяемый в ювелирной и индустриально отраслях, а также графит, за открытие которого незадолго была присуждена Нобелевская премия. Еще Антуан Лавуазье проводил первые навыки с так называемым чистым углем, после этого его свойства отчасти изучила группа ученых – Гитон де Морво, собственно сам Лавуазье, Бертолле и Фуркруа, которые описали свой навык в книге «Способ химической номенклатуры».

2. Впервой вольный углерод вывел британец Теннант, тот, что пропустил пары фосфора над раскаленным мелом и получил фосфат кальция совместно с углеродом. Продолжил навыки британского сотрудники француз Гитон де Морво. Он осмотрительно нагрел алмаз, в итоге чего превратил его в графит и позже в угольную кислоту.

3. Углерод владеет достаточно многообразными физическими свойствами по причине образования химических связей разного типа. Теснее вестимо, что данный химический элемент непрерывно образуется в нижних слоях стратосферы, а его свойства еще с 50-х годов обеспечили углероду место на АЭС и в ядерных водородных бомбах.

4. Физики выделяют несколько форм либо конструкций углерода: тетрическую, тригональную и диагональную. У него есть и несколько кристаллических вариаций – алмаз, графен, графит, карбин, лонсдейлит, наноалмаз, фуллерен, фуллерит, углеродное волокно, нановолокно и нанотрубки. Есть формы и у аморфного углерода: активированный и древесный уголь, ископаемый уголь либо антрацит, камменоугольный либо нефтяной кокс, стеклоуглерод, техуглерод, сажа и углеродная нанопленка. Физики также разделяют и коластерные вариации – астралены, диуглероды и углеродные наноконусы.

5. Углерод достаточно инертен в условиях отсутствия экстремальных температур, а при достижении их верхнего порога горазд соединяться с другими химическими элементами, проявляя сильнейшие восстановительные свойства.

6. Вероятно, особенно знаменитым использованием углерода является карандашная промышленность, где его смешивают с глиной для меньшей ломкости. Его используют и в качестве смазочного средства при дюже высоких либо низких температурах, а высокая температура плавления дает вероятность производить из углерода крепкие тигли для заливки металлов. Графит также очаровательно проводит электрический ток, что дает огромные перспективы для использования его в электронике.

Видео по теме

Обратите внимание!
В таблице Д.И.Менделеева в одной клетке для всего химического элемента указаны два числовых значения. Не путайте порядковый номер и относительную ядерную массу элемента

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:

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:

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:

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:

Белкин И.К. Заряд атомного ядра и периодическая система элементов Менделеева //Квант. - 1984. - № 3. - С. 31-32.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Современные представления о строении атома возникли в 1911 - 1913 годах, после знаменитых опытов Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. В этих опытах было показано, что α -частицы (их заряд положительный), попадая на тонкую металлическую фольгу, иногда отклоняются на большие углы и даже отбрасываются назад. Это можно было объяснить только тем, что положительный заряд в атоме сконцентрирован в ничтожно малом объеме. Если представить его в виде шарика, то, как установил Ре- зерфорд, радиус этого шарика должен быть равен примерно 10 -14 -10 -15 м, что в десятки и сотни тысяч раз меньше размеров атома в целом (~10 -10 м). Только вблизи столь малого по размерам положительного заряда может существовать электрическое поле, способное отбросить α -частицу, мчащуюся со скоростью около 20 000 км/с. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром.

Так возникла идея о том, что атом любого вещества состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, существование которых в атомах было установлено ранее. Очевидно, что, поскольку атом в целом электрически нейтрален, заряд ядра должен быть численно равен заряду всех имеющихся в атоме электронов. Если обозначить модуль заряда электрона буквой е (элементарный заряд), то заряд q я ядра должен быть равен q я = Ze , где Z - целое число, равное числу электронов в атоме. Но чему равно число Z ? Чему равен заряд q я ядра?

Из опытов Резерфорда, позволивших установить размеры ядра, в принципе, можно определить и величину заряда ядра. Ведь электрическое поле, отбрасывающее α -частицу, зависит не только от размеров, но и от заряда ядра. И Резерфорд в самом деле оценил заряд ядра. По Резерфорду заряд ядра атома того или иного химического элемента примерно равен половине его относительной атомной массы А , умноженной на элементарный заряд е , то есть

\(~Z = \frac{1}{2}A\).

Но, как это ни странно, истинный заряд ядра был установлен не Резер- фордом, а одним из читателей его статей и докладов - голландским ученым Ван-ден-Бруком (1870-1926). Странно потому, что Ван-ден-Брук по образованию и профессии был не физиком, а юристом.

Почему Резерфорд, оценивая заряды атомных ядер, соотносил их с атомными массами? Дело в том, что когда в 1869 году Д. И. Менделеев создал периодическую систему химических элементов, он расположил элементы в порядке возрастания их относительных атомных масс. И за истекшие сорок лет все привыкли к тому, что самая важная характеристика химического элемента - его относительная атомная масса, что именно она отличает один элемент от другого.

Между тем именно в это время, в начале XX века, с системой элементов возникли трудности. При исследовании явления радиоактивности был открыт ряд новых радиоактивных элементов. И для них в системе Менделеева как будто бы не было места. Казалось, что система Менделеева требовала изменения. Этим и был особенно озабочен Ван-ден-Брук. В течение нескольких лет им было предложено несколько вариантов расширенной системы элементов, в которой хватило бы места не только для неоткрытых еще стабильных элементов (о местах для них «позаботился» еще сам Д. И. Менделеев), но и для радиоактивных элементов тоже. Последний вариант Ван-ден-Брук опубликовал в начале 1913 года, в нем было 120 мест, а уран занимал клетку под номером 118.

В том же 1913 году были опубликованы результаты последних исследований по рассеянию α -частиц на большие углы, проведенных сотрудниками Резерфорда Гейгером и Марсденом. Анализируя эти результаты, Ван-ден-Брук сделал важнейшее открытие. Он установил, что число Z в формуле q я = Ze равно не половине относительной массы атома химического элемента, а его порядковому номеру. И притом порядковому номеру элемента в системе Менделеева, а не в его, Ван-ден-Брука, 120-местной системе. Система Менделеева, оказывается, не нуждалась в изменении!

Из идеи Ван-ден-Брука следует, что всякий атом состоит из атомного ядра, заряд которого равен порядковому номеру соответствующего элемента в системе Менделеева, умноженному на элементарный заряд, и электронов, число которых в атоме тоже равно порядковому номеру элемента. (Атом меди, например, состоит из ядра с зарядом, равным 29е , и 29 электронов.) Стало ясно, что Д. И. Менделеев интуитивно расположил химические элементы в порядке возрастания не атомной массы элемента, а заряда его ядра (хотя он об этом и не знал). Следовательно, один химический элемент отличается от другого не своей атомной массой, а зарядом атомного ядра. Заряд ядра атома - вот главная характеристика химического элемента. Существуют атомы совершенно различных элементов, но с одинаковыми атомными массами (они имеют специальное название - изобары).

То, что не атомные массы определяют положение элемента в системе, видно и из таблицы Менделеева: в трех местах нарушено правило возрастания атомной массы. Так, относительная атомная масса у никеля (№ 28) меньше, чем у кобальта (№ 27), у калия (№ 19) она меньше, чем у аргона (№ 18), у иода (№ 53) меньше, чем у теллура (№ 52).

Предположение о взаимосвязи заряда атомного ядра и порядкового номера элемента легко объясняло и правила смещения при радиоактивных превращениях, открытые в том же 1913 году («Физика 10», § 103). В самом деле, при испускании ядром α -частицы, заряд которой равен двум элементарным зарядам, заряд ядра, а значит, и его порядковый номер (теперь обычно говорят - атомный номер) должен уменьшиться на две единицы. При испускании же β -частицы, то есть отрицательно заряженного электрона, он должен увеличиться на одну единицу. Именно в этом и состоят правила смещения.

Идея Ван-ден-Брука очень скоро (буквально в том же году) получила первое, правда косвенное, опытное подтверждение. Несколько позже правильность ее была доказана прямыми измерениями заряда ядер многих элементов. Понятно, что она сыграла важную роль в дальнейшем развитии физики атома и атомного ядра.

Атомы любых веществ являются электрически нейтральными частицами. Атом состоит из ядра и совокупности электронов. Ядро несет положительный заряд, суммарный заряд которого равен сумме зарядов всех электронов атома.

Общие сведения о заряде ядра атома

Заряд ядра атома определяет местоположение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и соответственно химические свойства вещества, состоящего их этих атомов и соединений этих веществ. Величина заряда ядра равна:

где Z - номер элемента в таблице Менделеева, e - величина заряда электрона или .

Элементы с одинаковыми числами Z, но разными атомными массами называют изотопами. Если элементы имеют одинаковые Z, то у них ядро имеет равное число протонов, а если атомные массы различны, то число нейтронов в ядрах этих атомов разное. Так, у водорода имеется два изотопа: дейтерий и тритий.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода. Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

Масса покоя протона () примерно равна:

Подробнее о протоне можно узнать, прочитав раздел «Заряд протона».

Эксперименты по измерению заряда ядра

Первым заряды ядер измерил Мозли в 1913 г. Измерения были косвенными. Ученый определил связь между частотой рентгеновского излучения () и зарядом ядра Z.

где C и B - постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра измерил Чедвик в 1920 г. Он проводил рассеивание - частиц на металлических пленках, по сути, повторяя опыты Резерфорда, которые привели Резерфорда к построению ядерной модели атома.

В этих экспериментах - частицы пропускались через тонкую металлическую фольгу. Резерфорд выяснил, что в большинстве случаев частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на малые углы от первоначального направления движения. Это объясняется тем, что - частицы отклоняются под воздействием электрических сил электронов, которые имеют значительно меньшую массу, чем - частицы. Иногда, довольно редко - частицы отклонялись на углы превышающие 90 o . Этот факт Резерфорд объяснил наличием в атоме заряда, который локализован в малом объеме, и этот заряд связан с массой, которая много больше, чем у - частицы.

Для математического описания результатов своих экспериментов Резерфорд вывел формулу, которая определяет угловое распределение - частиц после их рассеяния атомами. При выводе этой формулы ученый использовал закон Кулона для точечных зарядов и при этом считал, что масса ядра атома много больше, чем масса - частицы. Формулу Резерфорда можно записать как:

где n - количество рассеивающих ядер на единицу площади фольги; N - число - частиц, которые проходят за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярно к направлению потока - частиц; - количество частиц, которые рассеиваются внутри телесного угла - заряд центра рассеяния; - масса - частицы; - угол отклонения - частиц; v - скорость - частицы.

Формулу Резерфорда (3) можно использовать для того, чтобы найти заряд ядра атома (Z), если провести сравнение числа падающих - частиц (N) с числом (dN) частиц рассеянных под углом , то функция будет зависеть только от заряда рассеивающего ядра. Проводя опыты и применяя формулу Резерфорда Чедвик нашел заряды ядер платины, серебра и меди.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пластину из металла облучают - частицами, имеющими большую скорость. Некоторая часть этих частиц при упругом взаимодействии с ядрами атомов металла изменяет направление своего движения на противоположное. Каков заряд ядра атомов металла (q), если минимальное расстояние сближения частицы и ядра равно r. Масса - частицы равна ее скорость v. При решении задачи релятивистскими эффектами можно пренебречь. Частицы считать точечными, ядро неподвижным и точечным.
Решение	Сделаем рисунок. Двигаясь в направлении ядра атома - частица преодолевает силу Кулона, отталкивающую ее от ядра, так как частица и ядро имеют положительные заряды. Кинетическая энергия движущейся - частицы переходит в потенциальную энергию взаимодействия ядра атома металла и - частицы. За основу решения задачи следует принять закон сохранения энергии.: Потенциальную энергию точечных заряженных частиц найдем как: где заряд - частицы равен: , так как и - частиц - это ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов, , так как будем считать, что эксперимент проводят в воздухе. Кинетическая энергия - частицы до соударения с ядром атома равна: В соответствии с (1.1) приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем: Из формулы (1.4) выразим заряд ядра:
Ответ

Из планетарной модели строения атомов нам известно, что атом представляет собой ядро, и вращающееся вокруг него облако электронов. Причем расстояние между электронами и ядром в десятки и сотни тысяч раз больше, чем размер самого ядра.

Что же представляет собой само ядро? Это маленький твердый неделимый шарик или оно состоит из более мелких частиц? Ни один существующий в мире микроскоп не в состоянии наглядно показать нам, что происходит на таком уровне. Там все слишком маленькое. Тогда как быть? Возможно ли вообще изучить физику атомного ядра? Как узнать состав и характеристики атомного ядра, если исследовать его нет возможности?

Заряд ядра атома

Самыми разнообразными косвенными опытами, высказывая гипотезы и проверяя их на практике, путем проб и ошибок, ученым удалось исследовать строение атомного ядра. Оказалось, что ядро состоит из еще более мелких частиц. От количества этих частиц зависит размер ядра, его заряд и химические свойства вещества. Причем частицы эти обладают положительным зарядом, что и компенсирует отрицательный заряд электронов атома. Частицы эти назвали протонами. Их количество в нормальном состоянии всегда равно количеству электронов. Вопрос, как определить заряд ядра, больше не стоял. Заряд ядра атома в нейтральном состоянии всегда равен числу вращающихся вокруг него электронов и противоположен по знаку заряду электронов. А определять количество и заряд электронов физики уже научились.

Строение атомного ядра: протоны и нейтроны

Однако в процессе дальнейших исследований возникла новая проблема. Оказалось, что протоны, обладая одинаковым зарядом, в некоторых случаях вдвое различаются по массе. Это вызвало множество вопросов и не состыковок. В конце концов, удалось установить, что в состав атомного ядра, кроме протонов входят еще некие частицы, практически равные протонам по массе, однако не обладающие никаким зарядом. Частицы эти назвали нейтронами. Обнаружение нейтронов разрешило все не состыковки в расчетах. В итоге протоны и нейтроны, как составляющие элементы ядра получили название нуклонов. Расчет любых значений, касающихся характеристик ядра, стал значительно более простым понятным. В образовании заряда ядра нейтроны участия не принимают, поэтому влияние их на химические свойства вещества практически не проявляется, однако нейтроны участвуют в образовании массы ядер, соответственно, влияют на гравитационные свойства ядра атома. Таким образом, присутствует некоторое косвенное влияние нейтронов на свойства вещества, но оно крайне незначительно.