A nukleáris töltés () meghatározza egy kémiai elem helyét a D.I. táblázatban. Mengyelejev. A Z-szám az atommagban lévő protonok száma. A Cl egy proton töltése, amely nagyságrendileg megegyezik egy elektron töltésével.

Hangsúlyozzuk még egyszer, hogy az atommag töltése határozza meg a pozitív elemi töltések számát, amelyek hordozói a protonok. És mivel az atom általában semleges rendszer, az atommag töltése meghatározza az atomban lévő elektronok számát is. És emlékezzünk arra, hogy az elektronnak negatív elemi töltése van. Az atomban lévő elektronok számuk függvényében oszlanak meg az energiahéjak és az alhéjak között, ezért az atommag töltése jelentős hatással van az elektronok állapotok közötti eloszlására. Egy atom kémiai tulajdonságai az utolsó energiaszinten lévő elektronok számától függenek. Kiderül, hogy az atommag töltése határozza meg az anyag kémiai tulajdonságait.

Jelenleg a különböző kémiai elemeket a következőképpen szokás jelölni: ahol X egy kémiai elem szimbóluma a periódusos rendszerben, amely a töltésnek felel meg.

Izotópoknak nevezzük azokat az elemeket, amelyeknek azonos a Z, de az atomtömege (A) (ez azt jelenti, hogy az atommagban azonos számú proton van, de eltérő számú neutron). Így a hidrogénnek két izotópja van: 1 1 H-hidrogén; 2 1 H-deutérium; 3 1 H-trícium

Vannak stabil és instabil izotópok.

Az azonos tömegű, de eltérő töltésű atommagokat izobároknak nevezzük. Az izobárok főként nehéz magok között, párokban vagy triádokban találhatók. Például, és.

Moseley volt az első, aki 1913-ban közvetetten mérte a magtöltést. Összefüggést állapított meg a karakterisztikus röntgensugárzás frekvenciája () és a magtöltés (Z) között:

ahol C és B a vizsgált sugárzási sorozat elemétől független állandók.

A nukleáris töltést Chadwick közvetlenül határozta meg 1920-ban, miközben a hélium atommagjainak fémfilmeken való szóródását tanulmányozta.

Kernel összetétele

A hidrogénatom magját protonnak nevezzük. A proton tömege egyenlő:

Az atommag protonokból és neutronokból (együttesen nukleonokból) áll. A neutront 1932-ben fedezték fel. A neutron tömege nagyon közel van a proton tömegéhez. A neutronnak nincs elektromos töltése.

Az atommagban lévő protonok (Z) és neutronok számának (N) összegét A tömegszámnak nevezzük:

Mivel a neutron és a proton tömege nagyon közel van egymáshoz, mindegyikük majdnem egy atomos tömegegységnek felel meg. Az atomban lévő elektronok tömege jóval kisebb, mint az atommag tömege, ezért úgy gondolják, hogy az atommag tömegszáma megközelítőleg megegyezik az elem relatív atomtömegével, ha a legközelebbi egész számra kerekítjük.

Példák problémamegoldásra

1. PÉLDA

2. PÉLDA

Egy alfa-részecske vékony aranyfólián való áthaladását tanulmányozva (lásd a 6.2. fejezetet) E. Rutherford arra a következtetésre jutott, hogy az atom egy nehéz, pozitív töltésű magból és az azt körülvevő elektronokból áll.

Mag az atom központi részének nevezzük,amelyben az atom szinte teljes tömege és pozitív töltése koncentrálódik.

BAN BEN az atommag összetétele elemi részecskéket tartalmaz : protonok És neutronok (nukleonok a latin szóból atommag- mag). Az atommag ilyen proton-neutron modelljét a szovjet fizikus javasolta 1932-ben D.D. Ivanenko. A proton pozitív töltésű e + = 1,06 10 –19 C és nyugalmi tömege m p= 1,673·10 –27 kg = 1836 nekem. Neutron ( n) – semleges részecske nyugalmi tömeggel m n= 1,675·10 –27 kg = 1839 nekem(hol van az elektron tömege nekem, egyenlő 0,91·10 –31 kg). ábrán. A 9.1. ábra a hélium atom szerkezetét mutatja a 20. század végének - 21. század eleji elképzelések szerint.

Alaptöltés egyenlő Ze, Ahol e- proton töltés, Z– díjszám, egyenlő sorozatszám kémiai elem a Mengyelejev-féle elemperiódusos rendszerben, i.e. protonok száma az atommagban. Az atommagban lévő neutronok számát jelöljük N. Általában Z > N.

Jelenleg ismert kernelek with Z= 1-től Z = 107 – 118.

A nukleonok száma egy magban A = Z + N hívott tömegszám . Magok ugyanazzal Z, de más A hívják izotópok. Magok, hogy, ugyanazzal A különbözőek Z, hívják izobárok.

Az atommagot ugyanazzal a szimbólummal jelöljük, mint a semleges atomot, ahol x– kémiai elem szimbóluma. Például: hidrogén Z= 1-nek három izotópja van: – protium ( Z = 1, N= 0), – deutérium ( Z = 1, N= 1), – trícium ( Z = 1, N= 2), az ónnak 10 izotópja van stb. Egy kémiai elem izotópjainak túlnyomó többsége azonos kémiai és hasonló fizikai tulajdonságokkal rendelkezik. Összesen mintegy 300 stabil izotóp és több mint 2000 természetes és mesterségesen előállított izotóp ismert. radioaktív izotópok.

A mag méretét a mag sugara jellemzi, amely a mag határának elmosódása miatt konvencionális jelentéssel bír. Még E. Rutherford is kísérleteit elemezve kimutatta, hogy az atommag mérete megközelítőleg 10-15 m (az atom mérete 10-10 m). Van egy empirikus képlet a mag sugarának kiszámítására:

Ahol R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 m Ez azt mutatja, hogy az atommag térfogata arányos a nukleonok számával.

A maganyag sűrűsége 10 17 kg/m 3 nagyságrendű, és minden atommagra állandó. Jelentősen meghaladja a legsűrűbb közönséges anyagok sűrűségét.

A protonok és a neutronok azok fermionok, mert pörögjön ħ /2.

Az atommag rendelkezik belső szögimpulzus – nukleáris spin :

,

(9.1.2)

Ahol én – belső(teljes)spin kvantumszám.

Szám én egész vagy fél egész értékeket fogad el 0, 1/2, 1, 3/2, 2 stb. Magok a még A van integer spin(egységekben ħ ) és engedelmeskedjen a statisztikáknak Bose–Einstein(bozonok). Magok a páratlan A van fél egész szám pörgetés(egységekben ħ ) és engedelmeskedjen a statisztikáknak Fermi–Dirac(azok. magok - fermionok).

A magrészecskéknek megvannak a saját mágneses momentumaik, amelyek meghatározzák az atommag egészének mágneses momentumát. Az atommagok mágneses momentumainak mértékegysége a magmagneton μ méreg:

Itt e– az elektrontöltés abszolút értéke, m p- proton tömeg.

Nukleáris magneton be m p/nekem= 1836,5-szer kisebb, mint a Bohr-magneton, ebből az következik egy atom mágneses tulajdonságait elektronjainak mágneses tulajdonságai határozzák meg .

Összefüggés van az atommag spinje és mágneses momentuma között:

ahol γ méreg – nukleáris giromágneses arány.

A neutron negatív mágneses momentuma μ n≈ – 1,913μ méreg, mivel a neutron spinjének iránya és mágneses momentuma ellentétes. A proton mágneses momentuma pozitív és egyenlő μ-vel R≈ 2,793 μ méreg. Iránya egybeesik a proton spinjének irányával.

A protonok elektromos töltésének eloszlása ​​az atommagban általában aszimmetrikus. Ennek az eloszlásnak a gömbszimmetrikustól való eltérésének mértéke a az atommag kvadrupol elektromos momentuma K. Ha a töltéssűrűséget mindenhol azonosnak tételezzük fel, akkor K csak a mag alakja határozza meg. Tehát a forradalom ellipszoidjára

,

(9.1.5)

Ahol b– az ellipszoid féltengelye a forgásirány mentén, A– féltengely merőleges irányban. A forgásirány mentén megnyúlt mag esetében b > AÉs K> 0. Ebben az irányban lapított magnál b < aÉs K < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = aÉs K= 0. Ez igaz azokra a magokra, amelyek spinje 0 vagy ħ /2.

A bemutatók megtekintéséhez kattintson a megfelelő hivatkozásra:

Minden tudomány középpontjában valami kicsi és fontos rejlik. A biológiában egy sejt, a nyelvészetben egy betű és egy hang, a mérnöki tudományban egy fogaskerék, az építőiparban egy homokdarab, a kémia és a fizika számára pedig az atom és annak szerkezete a legfontosabb.

Ez a cikk 18 éven felülieknek szól

18 éves lettél már?

Az atom mindennek a legkisebb részecskéje, ami körülvesz bennünket, amely minden szükséges információt hordoz, egy részecske, amely meghatározza a jellemzőket és a töltéseket. A tudósok sokáig úgy gondolták, hogy oszthatatlan, egy, de hosszú órák, napok, hónapok és évek alatt olyan tanulmányok, kutatások és kísérletek folytak, amelyek bebizonyították, hogy az atomnak is megvan a maga szerkezete. Más szavakkal, ez a mikroszkopikus golyó még kisebb alkatrészekből áll, amelyek befolyásolják a mag méretét, tulajdonságait és töltését. Ezeknek a részecskéknek a szerkezete a következő:

• elektronok;
• atommag.

Ez utóbbiak is nagyon elemi részekre oszthatók, amelyeket a tudományban protonoknak és neuronoknak neveznek, amelyekből minden konkrét esetben van egyértelmű szám.

Az atommagban lévő protonok száma jelzi az elektronokból álló héj szerkezetét. Ez a héj pedig egy bizonyos anyag, anyag vagy tárgy összes szükséges tulajdonságát tartalmazza. A protonok összegének kiszámítása nagyon egyszerű - elég, ha ismerjük az anyag (atom) legkisebb részének sorszámát a jól ismert periódusos rendszerben. Ezt az értéket atomszámnak is nevezik, és a latin „Z” betűvel jelöljük. Fontos megjegyezni, hogy a protonok pozitív töltéssel rendelkeznek, és írásban ezt az értéket +1-ként határozzák meg.

A neuronok az atommag második alkotóelemei. Ez egy elemi szubatomi részecske, amely nem hordoz semmilyen töltést, ellentétben az elektronokkal vagy a protonokkal. A neuronokat 1932-ben fedezte fel J. Chadwick, amiért 3 évvel később Nobel-díjat kapott. A tankönyvekben és tudományos munkákban latin „n” szimbólumként jelölik.

Az atom harmadik összetevője az elektron, amely monoton mozgásban van az atommag körül, és ezzel felhőt hoz létre. Ez a részecske a legkönnyebb a modern tudomány által ismert összes közül, ami azt jelenti, hogy a töltése is a legkisebb elektron, amelyet a −1-ből származó betű jelöl.

Ez a pozitív és negatív részecskék kombinációja a szerkezetben, amely az atomot töltetlen vagy semleges töltésű részecskévé teszi. Az atommag az egész atom teljes méretéhez képest nagyon kicsi, de benne van az összes tömeg koncentrálódik, ami nagy sűrűségét jelzi.

Hogyan határozható meg az atommag töltése?

Az atommag töltésének meghatározásához jól meg kell értenie magának az atomnak és magjának szerkezetét, meg kell értenie a fizika és a kémia alapvető törvényeit, valamint fel kell fegyvereznie Mengyelejev periódusos rendszerét, hogy meghatározza. egy kémiai elem rendszáma.

1. Annak ismerete, hogy bármely anyag mikroszkopikus részecskéjének szerkezetében van egy atommag és elektronok, amelyek a közelében felhő formájában héjat hoznak létre. Az atommag pedig kétféle elemi oszthatatlan részecskét tartalmaz: protonokat és neuronokat, amelyek mindegyikének megvannak a saját tulajdonságai és jellemzői. A neuronok arzenáljában nincs elektronikus töltés. Ez azt jelenti, hogy töltésük sem nem egyenlő, sem nem nagyobb vagy kisebb, mint nulla. A protonok, társaikkal ellentétben, pozitív töltést hordoznak. Vagyis az elektromos töltésüket +1-nek jelölhetjük.
2. Az elektronok, amelyek minden atom szerves részét képezik, bizonyos típusú elektromos töltést is hordoznak. Ezek negatív töltésű elemi részecskék, és írásban -1-ként definiálják őket.
3. Az atom töltésének kiszámításához ismeretekre van szüksége a szerkezetéről (csak emlékeztünk a szükséges információkra), az összetételben lévő elemi részecskék számáról. És annak érdekében, hogy megtudja egy atom töltési mennyiségét, matematikailag össze kell adnia egyes részecskék (protonok) számát a többihez (elektronokhoz). Általában az atom jellemzői azt jelzik, hogy elektronsemleges. Más szóval, az elektronok értéke megegyezik a protonok számával. Az eredmény a következő: egy ilyen atom töltési értéke nulla.
4. Egy fontos árnyalat: vannak olyan helyzetek, amikor a pozitív és negatív töltésű elemi részecskék száma az atommagban nem egyenlő. Ez azt jelenti, hogy az atom pozitív vagy negatív töltésű ionná válik.

Az atommag tudományos szimbóluma a Ze. Megfejtése meglehetősen egyszerű: Z a jól ismert periódusos rendszer eleméhez rendelt szám, ezt rendszámnak vagy töltésszámnak is nevezik. És ez jelzi az atommagban lévő protonok számát, és e csak a proton töltése.

A modern tudományban különböző töltésértékű atommagok léteznek: 1-től 118-ig.

Egy másik fontos fogalom, amelyet a fiatal vegyészeknek tudniuk kell, a tömegszám. Ez a fogalom a nukleonok teljes töltését jelzi (ezek a kémiai elem atommagjának legkisebb komponensei). És megtalálhatja ezt a számot, ha a képletet használja: A = Z + N ahol A a kívánt tömegszám, Z a protonok száma, N pedig a neutronok értéke az atommagban.

Mekkora töltése van a bróm atommagjának?

Ahhoz, hogy a gyakorlatban bemutassuk, hogyan lehet megtalálni a szükséges elem (esetünkben a bróm) atomjának töltését, lapozzon a kémiai elemek periódusos rendszeréhez, és keresse meg ott a brómot. A rendszáma 35. Ez azt jelenti, hogy a magtöltése 35, mivel ez az atommagban lévő protonok számától függ. A protonok számát pedig az a szám jelzi, amely alatt a kémiai elem áll Mengyelejev nagy művében.

Mondjunk még néhány példát, hogy a fiatal vegyészek könnyebben tudják kiszámítani a szükséges adatokat a jövőben:

• A nátriumatom (na) magtöltése 11, mivel ez alatt a szám alatt található meg a kémiai elemek táblázatában.
• a foszfor atommag (melynek szimbolikus jelölése P) töltése 15, mert ennyi proton van a magjában;
• a kén (S grafikai jelöléssel) szomszédja az előző elem táblázatában, ezért magtöltése 16;
• a vas (és Fe jelölésben találjuk) a 26-os szám, ami azonos számú protont jelöl a magjában, tehát az atom töltését;
• szén (más néven C) a periódusos rendszer 6-os száma, amely jelzi a szükséges információkat;
• a magnézium atomszáma 12, és a nemzetközi szimbolikában Mg néven ismert;
• a klór a periódusos rendszerben, ahol Cl-ként van írva, 17, ezért a rendszáma (amire szükségünk van) ugyanaz - 17;
• a kalcium (Ca), amely olyan jótékony hatással van a fiatal szervezetekre, a 20. számban található;
• egy nitrogénatom atommagjának töltése (írott jelöléssel N) 7, és ebben a sorrendben szerepel a periódusos rendszerben;
• a bárium száma 56, ami megegyezik az atomtömegével;
• a szelén (Se) kémiai elem magjában 34 proton van, és ez azt mutatja, hogy atomja magjának töltése pontosan ilyen lesz;
• az ezüst (vagy írásos megjelöléssel Ag) rendszáma és atomtömege 47;
• ha meg kell találnia egy lítiumatom (Li) atommagjának töltését, akkor Mengyelejev nagy művének elejére kell fordulnia, ahol a 3-as szám van;
• Az Aurum vagy szeretett aranyunk (Au) atomtömege 79;
• argon esetében ez az érték 18;
• A rubídium atomtömege 37, míg a stroncium atomtömege 38.

Nagyon sokáig tartana felsorolni Mengyelejev periódusos rendszerének összes komponensét, mert nagyon sok van belőlük (ezek az összetevők). A lényeg az, hogy ennek a jelenségnek a lényege világos, és ha ki kell számítani a kálium, oxigén, szilícium, cink, alumínium, hidrogén, berillium, bór, fluor, réz, fluor, arzén, higany, neon atomszámát , mangán, titán, akkor csak a kémiai elemek táblázatára kell hivatkozni és megtudni az adott anyag sorozatszámát.

ALAPTÖLTÉS

Moseley törvénye. Az atommag elektromos töltését az összetételét alkotó protonok alkotják. A protonok száma Z töltésnek nevezik, ami azt jelenti, hogy az atommag töltésének abszolút értéke egyenlő Ze. A nukleáris töltés egybeesik a sorozatszámmal Z elem Mengyelejev elemeinek periódusos rendszerében. Az atommagok töltéseit először Moseley angol fizikus határozta meg 1913-ban. A hullámhossz mérésével kristály segítségével λ Egyes elemek atomjaira jellemző röntgensugárzás, Moseley a hullámhossz szabályos változását fedezte fel λ a periódusos rendszerben egymást követő elemekre (2.1. ábra). Moseley ezt a megfigyelést függőségként értelmezte λ valamilyen atomi állandótól Z, amely elemenként eggyel változik, és hidrogén esetében eggyel egyenlő:

hol és vannak állandók. A röntgenkvantumok atomi elektronok általi szórásával kapcsolatos kísérletekből és α -részecskék atommagok szerint, már korábban is ismert volt, hogy az atommag töltése megközelítőleg az atomtömeg felével egyenlő, ezért közel van az elem rendszámához. Mivel a jellegzetes röntgensugárzás kibocsátása az atomban zajló elektromos folyamatok következménye, Moseley arra a következtetésre jutott, hogy a kísérletei során talált atomi állandó, amely meghatározza a jellegzetes röntgensugárzás hullámhosszát és egybeesik az elem rendszámával, csak az atommag töltése lehet (Moseley törvénye).

Rizs. 2.1. Moseley által a szomszédos elemek atomjainak röntgenspektrumai

A röntgenhullámhossz-mérés nagy pontossággal történik, így a Moseley-törvény alapján abszolút megbízhatóan megállapítható az atom kémiai elemhez való tartozása. Ugyanakkor az a tény, hogy az állandó Z az utolsó egyenletben az atommag töltése, bár közvetett kísérletekkel alátámasztva van, végül egy posztulátumon – Moseley törvényén – nyugszik. Ezért Moseley felfedezése után a nukleáris töltéseket többször is mérték a szórási kísérletekben α -részecskék Coulomb törvénye alapján. 1920-ban Chadwig továbbfejlesztette a szórványok arányának mérési technikáját α -részecskéket, és megkapta a réz-, ezüst- és platinaatomok magjainak töltéseit (lásd 2.1. táblázat). Chadwig adatai nem hagynak kétséget Moseley törvényének érvényessége felől. A kísérletek ezen elemek mellett a magnézium, alumínium, argon és arany atommagjainak töltéseit is meghatározták.

2.1. táblázat. Chadwick kísérleteinek eredményei

Definíciók. Moseley felfedezése után világossá vált, hogy az atom fő jellemzője az atommag töltése, és nem az atomtömeg, ahogy azt a 19. századi kémikusok feltételezték, mivel az atommag töltése határozza meg az atomelektronok számát, és ezért az atomok kémiai tulajdonságai. A kémiai elemek atomjai közötti különbségek oka éppen az, hogy atommagjuk összetételében eltérő számú proton található. Éppen ellenkezőleg, az azonos számú protonnal rendelkező atommagok eltérő számú neutronja semmilyen módon nem változtatja meg az atomok kémiai tulajdonságait. Azokat az atomokat, amelyek csak az atommagjukban található neutronok számában különböznek egymástól, úgynevezett izotópok kémiai elem.

Az atomok szerkezetének planetáris modelljéből tudjuk, hogy az atom egy mag és egy körülötte forgó elektronfelhő. Ráadásul az elektronok és az atommag közötti távolság tíz- és százezerszer nagyobb, mint magának az atommagnak a mérete.

Mi maga a mag? Ez egy kis szilárd oszthatatlan golyó, vagy kisebb részecskékből áll? A világon egyetlen mikroszkóp sem képes világosan megmutatni nekünk, mi történik ezen a szinten. Ott minden túl kicsi. Akkor mit tegyünk? Lehetséges egyáltalán tanulmányozni az atommag fizikáját? Hogyan lehet megtudni az atommag összetételét és jellemzőit, ha nem lehet tanulmányozni?

Az atommag töltése

A tudósok sokféle közvetett kísérlettel, hipotézisek megfogalmazásával és gyakorlati tesztelésével, próbálkozások és tévedések révén tanulmányozhatták az atommag szerkezetét. Kiderült, hogy a mag még kisebb részecskékből áll. Az atommag mérete, töltése és az anyag kémiai tulajdonságai ezeknek a részecskéknek a számától függenek. Ezenkívül ezek a részecskék pozitív töltéssel rendelkeznek, amely kompenzálja az atom elektronjainak negatív töltését. Ezeket a részecskéket protonoknak nevezték. Számuk normál állapotban mindig megegyezik az elektronok számával. A nukleáris töltés meghatározásának kérdése már nem merült fel. A semleges állapotú atom magjának töltése mindig megegyezik a körülötte forgó elektronok számával, és ellentétes előjelű az elektronok töltésével. A fizikusok pedig már megtanulták meghatározni az elektronok számát és töltését.

Az atommag felépítése: protonok és neutronok

A további kutatások során azonban új probléma merült fel. Kiderült, hogy az azonos töltésű protonok egyes esetekben kétszeres tömegűek. Ez sok kérdést és következetlenséget vetett fel. Végül sikerült megállapítani, hogy az atommag összetételében a protonokon kívül olyan részecskék is megtalálhatók, amelyek tömegük közel azonos a protonokkal, de nincs töltésük. Ezeket a részecskéket neutronoknak nevezték. A neutronok detektálása minden számítási eltérést feloldott. Ennek eredményeként a protonokat és a neutronokat, mint az atommag alkotóelemeit, nukleonoknak nevezték. A mag jellemzőivel kapcsolatos bármely érték kiszámítása sokkal könnyebben érthetővé vált. A neutronok nem vesznek részt a nukleáris töltés kialakulásában, így az anyag kémiai tulajdonságaira gyakorolt ​​hatásuk gyakorlatilag nem nyilvánul meg, viszont a neutronok részt vesznek az atommagok tömegének kialakításában, és ennek megfelelően befolyásolják az anyag gravitációs tulajdonságait. az atommag. Így a neutronoknak van némi közvetett hatása az anyag tulajdonságaira, de ez rendkívül jelentéktelen.