A protonok egyenlőek az elektronokkal. II. fejezet Az atomok szerkezete és a periodikus törvény
Atom. Egy ötlet az atom szerkezetéről. Elektronok, protonok, neutronok
Atom - egy anyag elemi részecskéje (kémiai elem), amely protonok és neutronok (atommag) és elektronok bizonyos halmazából áll.
Az atommag protonokból (p+) és neutronokból (n0) áll.A protonok száma N(p+) egyenlő az atommag töltésével(Z) És elem sorozatszáma az elemek természetes sorozatában (és az elemek periódusos rendszerében). Az N(n0) neutronok számának, amelyet egyszerűen N betűvel jelölünk, és a protonok számának Z összegét tömegszámnak nevezzük, és A betűvel jelöljük. Az atom elektronhéja az atommag körül mozgó elektronokból áll(e-). Elektronok száma N(e-) in elektronhéj semleges atom egyenlő protonok száma Z a magjában.
Az atom modern kvantummechanikai modelljének ötlete. Az atomban lévő elektronok állapotának jellemzői kvantumszámok segítségével, azok értelmezése és megengedett értékei
Atom – egy mikrokozmosz, amelyben a kvantummechanika törvényei érvényesülnek.
Az atommag körüli atomban az elektronok mozgásának hullámfolyamatát a psi (ψ) hullámfüggvény segítségével írjuk le, amelynek három kvantálási paraméterrel kell rendelkeznie (3 szabadsági fok).
Fizikai jelentés – háromdimenziós amplitúdó el. hullámok.
n – főkvantumszám, karakter. energikus szinten egy atomban.
l – másodlagos (pályaszám) l=0…n-1, az energiát jellemzi. alszintek az atomban és az atompálya alakja.
m l – mágneses szám ml= -l… +l, az elem orientációját jellemzi az l.p.
ms a pörgésszám. spanyol Mert minden elektronnak megvan a maga mozgási pillanata
Az energiaszintek és részszintek elektronokkal való feltöltésének sorrendje többelektronos atomokban. Pauli elve. Hund szabálya. A minimális energia elve.
Stb. Gunda: a kitöltés szekvenciálisan történik úgy, hogy az összeg pörgetési számok(mozgás pillanata) maximális volt.
Pauli elv: egy atomban nem lehet 2 olyan elem, amelynek mind a 4 kvantuma megvan. A számok ugyanazok lennének
xn– max számú el. az energiáról ur.
A 3. periódustól kezdődően késleltető hatás figyelhető meg, amit a legkisebb energia elve magyaráz: az atom elektronhéjának kialakulása úgy történik, hogy az elektron. energikusan elfoglalni előnyös pozíció, amikor az atommaggal való kötési energia a lehető legnagyobb, az elektron saját energiája pedig a lehető legkisebb.
Stb. Klicsevszkij– energetikailag a leghasznosabbak a macskákban lévők. az n és l kvantumszámok összege min.
Ionizációs energia és elektronaffinitási energia. Változásuk jellege D. I. Mengyelejev periodikus rendszerének időszakai és csoportjai szerint. Fémek és nemfémek.
Atom ionizációs energiája- A gerjesztetlen atom elektronjának eltávolításához szükséges energiát első ionizációs energiának (potenciálnak) nevezzük.
Elektronaffinitás- A semleges atomhoz elektron hozzáadásának energetikai hatását elektronaffinitásnak (E) nevezzük.
Az ionizációs energia nő az alkálifémektől a nemesgázokig terjedő időszakokban és csökken csoportokban fentről lefelé.
A fő alcsoportok elemeihez az elektronaffinitás nő időszakokban balról jobbra és csökken csoportokban fentről lefelé.
A kémiai elemek elektronegativitása. Az elektronegativitás változásainak jellege a D. I. periodikus rendszer periódusai és csoportjai szerint. Az oxidációs állapot fogalma.
Elektronegativitás– atomkémiai képesség el. egy vegyületben elektronokat vonz magához
Értékelési módszerek:
EO=I+E(kJ/mol) – az ionizációs és affinitási energiák összegének fele (Maliken szerint)
Pauling relatív skála
Az e.o relatív skáláját használva. és miután elfogadta e.o. F= 4 a növekvő nukleáris töltésű időszakban e.o. nagyít és növelje a némítást. Utca.
A csoportban a nukleáris töltés növekedése az e.o. csökkenésével jár együtt. és megnövekedett met. Utca.
Oxidációs állapot (oxidációs szám)– egy elektronvegyület atomjának képzeletbeli töltése, amelyet abból a feltételezésből határozunk meg, hogy a vegyület ionokból áll
Így. egyszerű anyagok =0
С.о oxigén = -2 (kivéve a H2O2(-1) peroxidokat és a fluort tartalmazó vegyületeket)
Így. hidrogén és alkálifém = +1
Netrit S.o. csak néma és csak egy
Bármely ionban az összes s.o. algebrai összege. = iontöltés, a semleges molekulákban pedig = 0
Ha egy kémiai vegyület met-ből és nem-met-ből áll, akkor met +, non-met –
Ha a 2x kémiai kombinációja semleges, akkor az s.o. van a macskával > e.o.
Periodikus törvény és periodikus elemek rendszere D. I. Mengyelejev. A periódusos rendszer periódusai, csoportjai és alcsoportjai. A periódusos rendszer és az atomok szerkezetének kapcsolata. Elektronikus elemcsaládok.
a periodikus törvény megfogalmazása ez:
"a kémiai elemek tulajdonságai (azaz az általuk képzett vegyületek tulajdonságai és formája) időszakosan függenek a kémiai elemek atommagjának töltésétől."
Mengyelejev periódusos rendszere 8 csoportból és 7 periódusból áll.
A táblázat függőleges oszlopait csoportoknak nevezzük. Az egyes csoportokon belüli elemek hasonló kémiai és fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Ez azzal magyarázható, hogy ugyanannak a csoportnak az elemei a külső réteg hasonló elektronikus konfigurációival rendelkeznek, amelyen az elektronok száma megegyezik a csoport számával. Ahol a csoport fő és másodlagos alcsoportokra oszlik.
Főre alcsoportokba azok az elemek tartoznak, amelyek vegyértékelektronjai a külső ns- és np-alszinten helyezkednek el. B oldal alcsoportokba azok az elemek tartoznak, amelyek vegyértékelektronjai a külső ns-alszinten és a belső (n - 1) d-alszinten (vagy (n - 2) f-alszinten) helyezkednek el.
Minden elem benne periódusos táblázat, attól függően, hogy milyen alszinten Az (s-, p-, d- vagy f-) vegyértékelektronokat a következőkre osztják: s- elemek (elemek fő alcsoport I. és II. csoport), p-elemek (a III. fő alcsoport elemei - VII csoportok), d-elemek (mellékalcsoportok elemei), f-elemek (lantanidok, aktinidák).
A táblázat vízszintes sorait pontoknak nevezzük. A periódusokban lévő elemek különböznek egymástól, de közös bennük, hogy az utolsó elektronok azonos energiaszinten vannak (a lényeg kvantumszám n - ugyanaz).
- Fordítás
Minden atom középpontjában az atommag található, a protonoknak és neutronoknak nevezett részecskék apró halmaza. Ebben a cikkben a protonok és neutronok természetét vizsgáljuk, amelyek részecskékből állnak kisebb méretű– kvarkok, gluonok és antikvarkok. (A gluonok, akárcsak a fotonok, saját antirészecskék.) A kvarkok és a gluonok, amennyire tudjuk, valóban elemiek lehetnek (oszthatatlanok és nem állnak kisebb méretűből). De nekik később.
Meglepő módon a protonok és a neutronok tömege majdnem azonos – százalékos pontossággal:
- 0,93827 GeV/c 2 a protonra,
- 0,93957 GeV/c 2 egy neutronnál.
Mivel nagyon hasonlóak, és mivel ezek a részecskék atommagot alkotnak, a protonokat és a neutronokat gyakran nukleonoknak nevezik.
A protonokat 1920 körül azonosították és leírták (bár korábban fedezték fel őket; a hidrogénatom magja csak egyetlen proton), a neutronokat pedig 1933 körül fedezték fel. Szinte azonnal felismerték, hogy a protonok és a neutronok annyira hasonlítanak egymásra. De azt a tényt, hogy egy atommag méretéhez mérhető méretük van (körülbelül 100 000-szer kisebb sugarú, mint egy atom), csak 1954-ben lehetett tudni. Az 1960-as évek közepétől az 1970-es évek közepéig fokozatosan megértették, hogy kvarkokból, antikvarkokból és gluonokból állnak. A 70-es évek végére és a 80-as évek elejére a protonokról, neutronokról és azok összetételéről alkotott ismereteink nagyrészt megnyugodtak, és azóta is változatlanok.
A nukleonokat sokkal nehezebb leírni, mint az atomokat vagy az atommagokat. Nem azt mondom, hogy az atomok alapvetően egyszerűek, de legalább gondolkodás nélkül kijelenthetjük, hogy a héliumatom két elektronból áll, amelyek egy apró héliummag körül keringenek; a héliummag pedig két neutronból és két protonból álló meglehetősen egyszerű csoport. De a nukleonokkal nem minden olyan egyszerű. Már írtam a „Mi az a proton és mi van benne?” cikkben, hogy az atom olyan, mint egy elegáns menüett, a nukleon pedig egy vad parti.
A proton és a neutron összetettsége valódinak tűnik, és nem a fizika hiányos ismeretéből fakad. Vannak kvarkok, antikvarkok és gluonok, valamint erős egyenletek nukleáris kölcsönhatások történik köztük. Ezeket az egyenleteket a kvantumkromodinamika alapján QCD-nek nevezik. Az egyenletek pontossága ellenőrizhető különböző utak, beleértve a Nagy Hadronütköztetőben megjelenő részecskék számának mérését. A QCD egyenletek behelyettesítése a számítógépbe és a protonok és neutronok, valamint más hasonló részecskék tulajdonságainak számításainak futtatása (pl. gyakori név"hadronok") olyan előrejelzéseket kapunk e részecskék tulajdonságairól, amelyek közel állnak a való Világ. Ezért van okunk azt hinni, hogy a QCD egyenletek nem hazudnak, és a protonról és a neutronról szóló ismereteink a helyes egyenleteken alapulnak. De nem elég a megfelelő egyenletekkel rendelkezni, mert:
- U egyszerű egyenletek nagyon is kiderülhet komplex megoldások,
- A bonyolult döntéseket néha lehetetlen egyszerűen leírni.
A nukleonok eredendő összetettsége miatt Önnek, olvasónak, döntenie kell: mennyit szeretne tudni a leírt komplexitásról? Nem számít, milyen messzire mész, ez valószínűleg nem okoz elégedettséget: minél többet tanulsz, annál világosabbá válik a téma, de a végső válasz ugyanaz marad - a proton és a neutron nagyon összetett. A megértés három szintjét tudom ajánlani, növekvő részletességgel; bármelyik szint után megállhatsz és áttérhetsz más témákra, vagy belemerülhetsz az utolsóig. Minden szint olyan kérdéseket vet fel, amelyekre a következőben részben válaszolok, de az új válaszok új kérdéseket vetnek fel. Végül - ahogy a kollégákkal, haladókkal folytatott szakmai megbeszéléseken is teszem - csak hivatkozni tudok a igazi kísérletek, különféle befolyásos elméleti érvekre és számítógépes szimulációkra.
A megértés első szintje
Miből állnak a protonok és a neutronok?Rizs. 1: a protonok túlságosan leegyszerűsített változata, amely csak két felfelé és egy lefelé kvarkból, valamint a neutronokból csak két le kvarkból és egy fel kvarkból áll
A dolgok leegyszerűsítése érdekében sok könyv, cikk és weboldal azt írja le, hogy a protonok három kvarkból állnak (két felfelé és egy lefelé kvarkból), és valami olyasmit rajzolnak, mint az 1. ábra. 1. A neutron ugyanaz, csak egy fel és két le kvarkból áll. Ez az egyszerű kép azt illusztrálja, amit egyes tudósok hittek, többnyire az 1960-as években. Ám hamarosan világossá vált, hogy ezt a nézőpontot annyira leegyszerűsítették, hogy már nem volt helyes.
Kifinomultabb információforrásokból megtudhatja, hogy a protonok három kvarkból állnak (kettő fent és egy lefelé), amelyeket gluonok tartanak össze – és az 1. ábrához hasonló kép jelenhet meg. 2, ahol a gluonokat kvarkokat tartó rugókként vagy húrokként húzzák. A neutronok ugyanazok, csak egy up kvarkkal és két le kvarkkal.
Rizs. 2: javítás 2. ábra. 1 a hangsúly miatt fontos szerep erős nukleáris erő, amely a kvarkokat protonban tartja
Nem túl sok rossz irány a nukleonok leírását, mivel kiemeli az erős magkölcsönhatás fontos szerepét, amely a gluonok hatására kvarkokat tart a protonban (akárcsak elektromágneses kölcsönhatás kapcsolódó foton, a fényt alkotó részecske). De ez azért is zavaró, mert nem igazán magyarázza meg, mik azok a gluonok, vagy mit csinálnak.
Megvan az oka annak, hogy úgy írjam le a dolgokat, ahogy én: a proton három kvarkból (kettőből felfelé és egy lefelé), egy csomó gluonból és egy hegy kvark-antikvark párból áll (főleg fel és le kvarkokból, de van néhány furcsa is) . Mindannyian nagyon nagy sebességgel repülnek oda-vissza (a fénysebességet megközelítve); ezt az egész halmazt az erős nukleáris erő tartja össze. ábrán mutattam be ezt. 3. A neutronok ismét ugyanazok, de egy felfelé és két lefelé kvarkkal; Az azonosságát megváltoztató kvarkot nyíl jelzi.
Rizs. 3: valósághűbb, bár még mindig tökéletlen, protonok és neutronok ábrázolása
Ezek a kvarkok, antikvarkok és gluonok nem csak vadul rohangálnak ide-oda, hanem egymásnak is ütköznek, és olyan folyamatok révén alakulnak át egymásba, mint a részecskesemmisülés (amely során egy kvark és egy azonos típusú antikvark két gluonná vagy satuvá alakul fordítva) vagy egy gluon abszorpciója és emissziója (amelyben egy kvark és egy gluon ütközhet, és egy kvark és két gluon képződhet, vagy fordítva).
Mit csinálnak ezek három leírás Tábornok:
- Két up kvark és egy down kvark (plusz valami más) egy protonhoz.
- A neutronnak egy felfelé és két lefelé kvarkja van (plusz valami más).
- A neutronok „valami mása” egybeesik a protonok „valami másával”. Vagyis a nukleonokban ugyanaz a „valami más”.
- A proton és a neutron közötti kis tömegkülönbség a down- és a up-kvark tömegkülönbségéből adódik.
- a felső kvarkok elektromos töltése 2/3 e (ahol e a proton töltése, -e az elektron töltése),
- A fenékkvarkok töltése -1/3e,
- a gluonok töltése 0,
- bármely kvark és a hozzá tartozó antikvark teljes töltése 0 (például egy antidown kvark töltése +1/3e, tehát egy down kvark és egy down kvark töltése -1/3 e +1/3 e = 0),
- a proton teljes elektromos töltése 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- a neutron teljes elektromos töltése 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- mennyi „valami más” van a nukleonban,
- mit keres ott
- honnan származik a nukleon tömege és tömegenergiája (E = mc 2, a részecske nyugalmi állapotában is jelen lévő energia).
Rizs. Az 1 szerint a kvarkok lényegében a nukleon egyharmadát alkotják – hasonlóan a protonhoz vagy a neutronhoz a héliummag negyede vagy a szénatommag 1/12-e. Ha ez az adat igaz lenne, a nukleonban lévő kvarkok viszonylag lassan (a fénynél jóval kisebb sebességgel) mozognának. gyenge kölcsönhatások, hat közöttük (bár valamilyen hatalmas erő jelenlétében, amely a helyén tartja őket). A kvark tömege felfelé és lefelé 0,3 GeV/c 2 nagyságrendű lenne, ami a proton tömegének körülbelül egyharmada. De ez az egyszerű kép és az általa támasztott elképzelések egyszerűen tévesek.
Rizs. 3. egészen más képet ad a protonról, mint a benne fényhez közeli sebességgel cikázó részecskék üstjéről. Ezek a részecskék ütköznek egymással, és ezekben az ütközésekben egy részük megsemmisül, mások pedig helyükre jönnek létre. A gluonoknak nincs tömegük, a felső kvarkok tömege 0,004 GeV/c 2 nagyságrendű, az alsó kvarkok tömege pedig 0,008 GeV/c 2 nagyságrendű, ami több százszor kisebb, mint egy proton. Hogy honnan származik a protontömeg energiája, az összetett kérdés: egy része a kvarkok és antikvarkok tömegének energiájából, egy része a kvarkok, antikvarkok és gluonok mozgási energiájából, egy része (esetleg pozitív, esetleg negatív) ) az erős magkölcsönhatás során raktározott energiából, összetartva a kvarkokat, antikvarkokat és gluonokat.
Bizonyos értelemben az ábra. A 2. ábra megpróbálja feloldani a különbséget a 2. ábra között. 1. és 1. ábra. 3. Leegyszerűsíti az ábrát. 3, sok kvark-antikvark pár eltávolítása, amelyek elvileg efemernek nevezhetők, mivel folyamatosan megjelennek és eltűnnek, és nem szükségesek. De azt a benyomást kelti, hogy a nukleonokban lévő gluonok közvetlen részei annak az erős nukleáris erőnek, amely a protonokat összetartja. És nem magyarázza meg, honnan származik a proton tömege.
ábrán. 1 van még egy hátránya a proton és a neutron szűk keretein kívül. Nem magyarázza meg más hadronok, például a pion és a rho mezon egyes tulajdonságait. ábra ugyanazokkal a problémákkal rendelkezik. 2.
Ezek a megszorítások oda vezettek, hogy tanítványaimnak és a honlapomon megadom a 2. ábra szerinti képet. 3. De szeretném figyelmeztetni, hogy ennek számos korlátja is van, amelyekről később lesz szó.
Érdemes megjegyezni, hogy a szerkezet rendkívüli összetettsége a 2. ábrán látható. 3, elvárható egy olyan tárgytól, amelyet az ilyen összetart hatalmas erő, mint az erős nukleáris erő. És még valami: három kvarkot (két felfelé és egy lefelé egy protonhoz), amelyek nem tartoznak a kvark-antikvark párok csoportjába, gyakran „valencia kvarknak” nevezik, a kvark-antikvark párokat pedig „tengernek” nevezik. kvarkpárok”. Egy ilyen nyelv technikailag sok esetben kényelmes. De azt a hamis benyomást kelti, hogy ha belenézünk egy protonba, és ránézünk egy adott kvarkra, azonnal megállapíthatjuk, hogy az a tenger része-e vagy vegyérték. Ezt nem lehet megtenni, egyszerűen nincs ilyen mód.
Protontömeg és neutrontömeg
Mivel a proton és a neutron tömege annyira hasonló, és mivel a proton és a neutron csak abban különbözik, hogy a fel kvarkot lecseréli, valószínűnek tűnik, hogy tömegüket azonos módon biztosítják, ugyanabból a forrásból származnak. , és különbségük az up és down kvarkok közötti csekély különbségben rejlik. A fenti három ábra azonban három nagyon eltérő nézet jelenlétét jelzi a protontömeg eredetéről.Rizs. Az 1 szerint a fel és le kvarkok egyszerűen a proton és a neutron tömegének 1/3-át teszik ki: 0,313 GeV/c 2 nagyságrendben, vagy a kvarkok protonban tartásához szükséges energia miatt. És mivel a proton és a neutron tömege közötti különbség a százalék töredéke, a felfelé és lefelé irányuló kvark tömege közötti különbségnek is egy százalék töredékének kell lennie.
Rizs. 2 kevésbé egyértelmű. A proton tömegének mekkora része a gluonoknak köszönhető? Ám elvileg az ábrából az következik, hogy a protontömeg nagy része még mindig a kvarkok tömegéből származik, mint az ábra. 1.
Rizs. A 3. ábra egy árnyaltabb megközelítést tükröz a proton tömegének tényleges megjelenésére vonatkozóan (amint azt közvetlenül a proton számítógépes számításaival ellenőrizhetjük, közvetetten pedig egyéb matematikai módszerek). Ez nagyon eltér az ábrán bemutatott elképzelésektől. 1 és 2, és kiderül, hogy nem is olyan egyszerű.
Ahhoz, hogy megértsük, hogyan működik ez, nem a proton m tömegében kell gondolkodni, hanem az E = mc 2 tömegenergiájában, a tömeghez kapcsolódó energiában. Fogalmilag a helyes kérdés nem az lesz, hogy „honnan származik az m protontömeg”, ami után ki tudod számítani E-t m-t c 2-vel megszorozva, hanem fordítva: „honnan származik az E protontömeg energiája”, ami után ki tudod számolni az m tömeg E-t c 2-vel osztva.
Célszerű a protontömeg-energiához való hozzájárulást három csoportba sorolni:
A) A benne található kvarkok és antikvarkok tömegenergiája (nyugalmi energiája) (gluonok, tömeg nélküli részecskék nem járulnak hozzá).
B) mozgási energia ( kinetikus energia) kvarkok, antikvarkok és gluonok.
B) Kölcsönhatási energia (kötési energia ill helyzeti energia), a protont tartó erős nukleáris kölcsönhatásban (pontosabban a gluonmezőkben) tárolódnak.
Rizs. A 3. ábra azt mondja, hogy a proton belsejében lévő részecskék nagy sebességgel mozognak, és tele van tömeg nélküli gluonokkal, így B) hozzájárulása nagyobb, mint A). Általában többségben fizikai rendszerek B) és C) összehasonlíthatónak bizonyul, míg C) gyakran negatív. Tehát a proton (és a neutron) tömegenergiája főként B) és C kombinációjából származik, és A) egy kis töredéke. Ezért a proton és a neutron tömege elsősorban nem a bennük lévő részecskék tömege miatt jelenik meg, hanem e részecskék mozgási energiái és kölcsönhatásuk energiája miatt, amelyek a gluonmezőkkel kapcsolatosak, amelyek létrehozzák az erőket tartó erőket. proton. A legtöbb más, számunkra jól ismert rendszerben az energiamérleg másként oszlik el. Például atomokban és benne Naprendszer Az A) dominál, a B) és C) pedig sokkal kisebbek és nagyságrendjükben összehasonlíthatóak.
Összefoglalva kiemeljük, hogy:
- Rizs. Az 1. ábra azt feltételezi, hogy a protontömeg energiája az A) hozzájárulásból származik.
- Rizs. A 2. ábra feltételezi, hogy az A) és a B) is fontos, míg B) csak kis mértékben járul hozzá.
- Rizs. A 3. ábra azt sugallja, hogy B) és C) fontosak, és A) hozzájárulása jelentéktelennek bizonyul.
Ha az ábra. 3 nem hazudik, a kvark és az antikvark tömege nagyon kicsi. Milyenek valójában? A felső kvark (valamint az antikvark) tömege nem haladja meg a 0,005 GeV/c 2 értéket, ami jóval kevesebb, mint a 0,313 GeV/c 2, ami az 1. ábrából következik. 1. (A felső kvark tömege nehezen mérhető, ez az érték a következők miatt változik finom hatások, így kiderülhet, hogy sokkal kisebb, mint 0,005 GeV/s 2). A pehelykvark tömege körülbelül 0,004 GeV/s 2 több tömeg felső Ez azt jelenti, hogy egyetlen kvark vagy antikvark tömege sem haladja meg a proton tömegének egy százalékát.
Figyeljük meg, hogy ez azt jelenti (az 1. ábrával ellentétben), hogy a down kvark és az up kvark tömeg aránya nem közelíti meg az egységet! A down kvark tömege legalább kétszerese az up kvark tömegének. A neutron és a proton tömege nem annyira hasonló, hanem azért, mert a fel és le kvarkok tömegei hasonlóak, hanem azért, mert a fel és le kvarkok tömegei nagyon kicsik - és a köztük lévő különbség kicsi, relatív a proton és a neutron tömegére. Ne feledje, hogy egy proton neutronná alakításához egyszerűen le kell cserélnie az egyik up kvarkot egy lefelé kvarkkal (3. ábra). Ez a csere elegendő ahhoz, hogy a neutron kissé nehezebb legyen a protonnál, és a töltése +e-ről 0-ra változzon.
Egyébként az a tény, hogy különféle részecskék belül a protonok ütköznek egymással, és folyamatosan jelennek meg és tűnnek el, nem befolyásolja a tárgyalt dolgokat - az energia minden ütközésnél megmarad. A kvarkok és gluonok tömegenergiája és mozgási energiája, valamint kölcsönhatásuk energiája változhat, de teljes energia A proton nem változik, bár benne minden folyamatosan változik. Tehát a proton tömege belső örvénye ellenére állandó marad.
Ezen a ponton megállíthatja és befogadhatja a kapott információkat. Elképesztő! Gyakorlatilag a közönséges anyagok teljes tömege az atomokban lévő nukleonok tömegéből származik. Ennek a tömegnek a nagy része pedig a protonban és neutronban rejlő káoszból származik - a nukleonokban lévő kvarkok, gluonok és antikvarkok mozgási energiájából, valamint az erős magkölcsönhatások energiájából, amelyek a nukleont teljes állapotában tartják. Igen: bolygónk, testünk, leheletünk egy ilyen csendes, és egészen a közelmúltig elképzelhetetlen zűrzavar eredménye.
Mi az a neutron? Mi a felépítése, tulajdonságai és funkciói? A neutronok az atomokat alkotó részecskék közül a legnagyobbak, amelyek építőkockák minden számít.
Atomszerkezet
A neutronok az atommagban találhatók, az atom egy sűrű tartományában, amely szintén tele van protonokkal (pozitív töltésű részecskék). Ezt a két elemet egy nukleáris erő tartja össze. A neutronok semleges töltéssel rendelkeznek. A proton pozitív töltését az elektron negatív töltésével párosítják, hogy semleges atomot hozzanak létre. Annak ellenére, hogy az atommag neutronjai nem befolyásolják az atom töltését, mégis számos olyan tulajdonsággal rendelkeznek, amelyek befolyásolják az atomot, beleértve a radioaktivitás szintjét.
Neutronok, izotópok és radioaktivitás
Az atommagban található részecske egy neutron, amely 0,2%-kal nagyobb, mint a proton. Ezek együttesen az azonos elem teljes tömegének 99,99%-át teszik ki különböző mennyiségben neutronok. Amikor a tudósok az atomtömegre utalnak, az átlagos atomtömegre utal. Például a szén általában 6 neutronból és 6 protonból áll, amelyek atomtömege 12, de néha 13 atomtömeggel is megtalálható (6 proton és 7 neutron). Carbon s atomszám 14 is létezik, de ritka. Tehát a szén atomtömege átlagosan 12,011.
Ha az atomoknak különböző számú neutronjuk van, izotópoknak nevezzük őket. A tudósok megtalálták a módját, hogy ezeket a részecskéket a maghoz adják nagyobb izotópok létrehozása érdekében. A neutronok hozzáadása nem befolyásolja az atom töltését, mivel nincs töltésük. Ezek azonban növelik az atom radioaktivitását. Ez nagyon instabil atomokhoz vezethet, amelyek kisülhetnek magas szintek energia.
Mi a mag?
A kémiában az atommag az atom pozitív töltésű központja, amely protonokból és neutronokból áll. A „kernel” szó a latin magból származik, amely a „dió” vagy „mag” szó egyik formája. A kifejezést 1844-ben Michael Faraday alkotta meg az atom középpontjának leírására. Az atommag vizsgálatával, összetételének és jellemzőinek vizsgálatával foglalkozó tudományokat ún magfizikaés a nukleáris kémia.
A protonokat és a neutronokat erősen tartják atomerő. Az elektronok vonzódnak az atommaghoz, de olyan gyorsan mozognak, hogy forgásuk az atom középpontjától bizonyos távolságra történik. A pluszjelű nukleáris töltés a protonokból származik, de mi az a neutron? Ez egy olyan részecske, amelynek nincs elektromos töltése. Az atom szinte teljes tömege az atommagban található, mivel a protonok és neutronok sokkal nagyobb tömegűek, mint az elektronok. A protonok száma atommag elemként határozza meg az azonosságát. A neutronok száma jelzi, hogy az elem melyik izotópja az atom.
Az atommag mérete
Az atommag sokkal kisebb, mint az atom teljes átmérője, mivel az elektronok távolabb is lehetnek a központtól. A hidrogénatom 145 000-szer nagyobb, mint a magja, az uránatom pedig 23 000-szer nagyobb, mint a központja. A hidrogén atommagja a legkisebb, mert egyetlen protonból áll.
A protonok és neutronok elrendeződése az atommagban
A protonokat és a neutronokat általában úgy ábrázolják, mint amelyek egymáshoz vannak csomagolva és egyenletesen oszlanak el gömbökre. Ez azonban a tényleges szerkezet leegyszerűsítése. Minden nukleon (proton vagy neutron) elfoglalható egy bizonyos szint energia és helytartomány. Míg a mag lehet gömb alakú, lehet körte-, gömb- vagy korong alakú is.
A protonok és neutronok magjai barionok, amelyek a legkisebbekből állnak, amelyeket kvarknak neveznek. A vonzóerő nagyon rövid hatótávolságú, ezért a protonoknak és a neutronoknak nagyon közel kell lenniük egymáshoz, hogy megköthetőek legyenek. Ez az erős vonzalom legyőzi a töltött protonok természetes taszítását.
Proton, neutron és elektron
Erőteljes lendület az ilyen tudományok fejlődésében, mint pl magfizika, a neutron felfedezése volt (1932). Ezt az angol fizikusnak kell köszönnünk, aki Rutherford tanítványa volt. Mi az a neutron? Ez egy instabil részecske, amely szabad állapotban mindössze 15 perc alatt protonná, elektronná és neutrínóvá, az úgynevezett tömeg nélküli semleges részecskeké bomlik.
A részecske azért kapta a nevét, mert nincs elektromos töltése, semleges. A neutronok rendkívül sűrűek. Izolált állapotban egy neutron tömege csak 1,67·10-27, és ha veszünk egy teáskanálnyit, amely sűrűn van tele neutronokkal, akkor a keletkező anyagdarab több millió tonnát fog nyomni.
Az elem magjában lévő protonok számát atomszámnak nevezzük. Ez a szám adja meg minden elem egyedi azonosítóját. Egyes elemek atomjaiban, például a szénben, az atommagokban lévő protonok száma mindig azonos, de a neutronok száma változhat. Atom ennek az elemnek bizonyos számú neutronnal az atommagban izotópnak nevezzük.
Veszélyesek az egyes neutronok?
Mi az a neutron? Ez egy részecske, amely a protonnal együtt benne van, azonban néha önállóan is létezhetnek. Amikor a neutronok az atommagokon kívül vannak, potenciálra tesznek szert veszélyes tulajdonságok. Amikor nagy sebességgel mozognak, halálos sugárzást bocsátanak ki. Az úgynevezett neutronbombák, amelyek arról ismertek, hogy képesek embereket és állatokat megölni, de minimális hatást gyakorolnak az élettelen fizikai struktúrákra.
A neutronok nagyon fontos részei az atomnak. Nagy sűrűségű ezeknek a részecskéknek a sebességükkel együtt extrém pusztító erőés energia. Ennek eredményeként megváltoztathatják vagy akár szét is téphetik az atommagokat, amelyekbe ütköznek. Bár a neutronnak van nettó semleges elektromos töltése, töltött komponensekből áll, amelyek kioltják egymást a töltés tekintetében.
Az atomban lévő neutron egy apró részecske. A protonokhoz hasonlóan túl kicsik ahhoz, hogy még elektronmikroszkóppal is lássuk őket, de ott vannak, mert az egyetlen módja, amely az atomok viselkedését magyarázza. A neutronok nagyon fontosak az atom stabilitásának biztosításához, de azon túl is atomközpont nem létezhetnek sokáig, és átlagosan mindössze 885 másodperc (kb. 15 perc) alatt bomlanak le.
A természet minden fizikai teste az anyagnak nevezett anyagtípusból épül fel. Az anyagokat két fő csoportra osztják - egyszerű és összetett anyagokra.
Az összetett anyagok azok az anyagok, amelyek kémiai reakciókkal más, egyszerűbb anyagokká bomlanak le. Ellentétben a komplexussal egyszerű anyagok azokat nevezzük, amelyek kémiailag még egyszerűbb anyagokra sem bonthatók.
Az összetett anyagra példa a víz, amely kémiai reakcióval két másik, egyszerűbb anyagra - hidrogénre és oxigénre - bomlik. Ami az utóbbi kettőt illeti, ezek már nem bonthatók le kémiailag egyszerűbb anyagokra, ezért egyszerű anyagok, vagy más szóval kémiai elemek.
A 19. század első felében a tudományban az a feltételezés élt, hogy a kémiai elemek változatlan anyagok, amelyeknek nincs közös kapcsolatuk egymással. Az orosz tudós, D. I. Mengyelejev (1834-1907) azonban először 1869-ben tárta fel a kapcsolatot a kémiai elemek között, megmutatva, hogy mindegyikük minőségi jellemzői attól függnek. mennyiségi jellemzők- atomtömeg.
A kémiai elemek tulajdonságainak tanulmányozása során D. I. Mengyelejev észrevette, hogy tulajdonságaik az atomtömegüktől függően időszakosan ismétlődnek. Ezt a periodicitást táblázat formájában jelenítette meg, amelyet „Mengyelejev elemeinek periódusos rendszere” néven vettek fel a tudományba.
Alább látható Mengyelejev modern periódusos rendszere a kémiai elemekről.
Atomok
Alapján modern ötletek A tudományban minden kémiai elem apró anyagrészecskék (anyagi) részecskék gyűjteményéből áll, amelyeket atomoknak nevezünk.
Az atom egy kémiai elem legkisebb része, amely kémiailag már nem bontható le más, kisebb és egyszerűbb anyagrészecskékre.
A természetben eltérő kémiai elemek atomjai fizikai és kémiai tulajdonságaikban, szerkezetükben, méretükben, tömegükben, atomsúlyukban különböznek egymástól, saját energiaés néhány egyéb tulajdonság. Például a hidrogénatom tulajdonságaiban és szerkezetében élesen eltér az oxigénatomtól, az utóbbi pedig az uránatomtól stb.
Megállapították, hogy a kémiai elemek atomjai rendkívül kis méretűek. Ha hagyományosan feltételezzük, hogy az atomok gömb alakúak, akkor átmérőjüknek meg kell egyeznie a centiméter százmilliomod részével. Például egy hidrogénatom átmérője - a természet legkisebb atomja - egyenlő a centiméter százmilliomod részével (10-8 cm), és a legkisebb átmérője nagy atomok például egy uránatom, nem haladhatja meg a centiméter háromszáz milliomod részét (3 · 10-8 cm). Következésképpen egy hidrogénatom annyiszor kisebb egy centiméter sugarú golyónál, mint ahányszor kisebb a földgömbnél.
Az atomok igen kis méretének megfelelően tömegük is nagyon kicsi. Például egy hidrogénatom tömege m = 1,67 10 -24 g Ez azt jelenti, hogy egy gramm hidrogén körülbelül 6 10 23 atomot tartalmaz.
A kémiai elemek atomtömegének egyezményes mértékegysége az oxigénatom tömegének 1/16-a. A kémiai elem atomtömegének megfelelően egy absztrakt számot nevezünk, amely megmutatja, hogy hányszorosa a tömegnek egy adott kémiai elem tömege nagyobb, mint egy oxigénatom tömegének 1/16-a.
D. I. Mengyelejev elemeinek periódusos táblázata az összes kémiai elem atomsúlyát mutatja (lásd az elem neve alatt elhelyezett számot). Ebből a táblázatból láthatjuk, hogy a legkönnyebb atom a hidrogénatom, amelynek atomtömege 1,008. A szén atomtömege 12, az oxigén 16 stb.
Ami a nehezebb kémiai elemeket illeti, azok atomtömege több mint kétszázszor nagyobb, mint a hidrogén atomtömege. Így a higany atomtömege 200,6, a rádium 226 stb. Minél nagyobb számsorrendet foglal el egy kémiai elem az elemek periódusos rendszerében, annál nagyobb az atomtömeg.
A kémiai elemek atomtömegének többsége kifejezett törtszámok. Ez bizonyos mértékig azzal magyarázható, hogy az ilyen kémiai elemek hányféle atomból állnak különböző atom súlyokkal, de azonos kémiai tulajdonságokkal.
Izotópoknak nevezzük azokat a kémiai elemeket, amelyek az elemek periódusos rendszerében azonos számot foglalnak el, és ezért azonos kémiai tulajdonságokkal, de eltérő atomtömeggel rendelkeznek.
Az izotópok a legtöbb kémiai elemben megtalálhatók, két izotópja van, kalcium - négy, cink - öt, ón - tizenegy stb.
Az anyag elemi részecskéi
Sokáig azt hitték, hogy a kémiai elemek atomjai jelentik az anyag oszthatóságának határát, vagyis olyan, mint az univerzum elemi „építőkövei”. Modern tudomány elvetette ezt a hipotézist, és megállapította, hogy bármely kémiai elem atomja még az atomnál is kisebb anyagrészecskék halmaza.
Alapján elektronelmélet anyag szerkezete, bármely kémiai elem atomja olyan rendszer, amelyből áll központi mag, amely körül az elektronoknak nevezett „elemi” anyagrészecskék forognak. Az atommagok az általánosan elfogadott nézetek szerint „elemi” anyagrészecskék - protonok és neutronok - gyűjteményéből állnak.
Az atomok szerkezetének és a bennük zajló fizikai és kémiai folyamatok megértéséhez legalább röviden meg kell ismerkedni az atomokat alkotó elemi részecskék alapvető jellemzőivel.
Elhatározta, hogy Az elektron olyan anyagrészecske, amely a természetben megfigyelt legkisebb negatív elektromos töltéssel rendelkezik.
Ha hagyományosan feltételezzük, hogy az elektron mint részecske gömb alakú, akkor az elektron átmérőjének 4-nek kell lennie. · 10-13 cm, azaz több tízezerszer kisebb bármely atom átmérőjénél.
Az elektronnak, mint minden más anyagrészecskének, van tömege. Az elektron „nyugalmi tömege”, azaz a relatív nyugalmi állapotában lévő tömege egyenlő m o = 9,1 10 -28 g.
Az elektron rendkívül kicsi „nyugalmi tömege” azt jelzi, hogy az elektron inert tulajdonságai rendkívül gyengék, ami azt jelenti, hogy az elektron változó elektromos erő hatására sok milliárd ciklus/perc frekvenciával oszcillálhat a térben. második.
Egy elektron tömege olyan kicsi, hogy egy gramm elektron megszerzéséhez 1027 egységre lenne szükség. Erről legalább valamiféle fizikai elképzelésünk kolosszális nagyszámú, mondjunk egy példát. Ha egy gramm elektront egymáshoz közel egyenes vonalba lehetne helyezni, négymilliárd kilométer hosszú láncot alkotnának.
Az elektron tömege, mint minden más anyagi mikrorészecske, mozgásának sebességétől függ. Az elektronnak relatív nyugalmi állapotban van egy „nyugalmi tömege”, amely mechanikai természetű, mint bármely más elektron tömege. fizikai test. Ami az elektron „mozgástömegét” illeti, amely mozgási sebességének növekedésével növekszik, elektromágneses eredetű. Ez egy mozgó elektron jelenlétének köszönhető elektromágneses mező mint valamilyen tömegű és elektromágneses energiájú anyag.
Minél gyorsabban mozog az elektron, annál jobban megnyilvánulnak elektromágneses mezejének tehetetlenségi tulajdonságai, következésképpen annál nagyobb az utóbbi tömege és ennek megfelelően elektromágneses energiája. Mivel az elektron a maga elektromágneses mezőjével egyetlen, szervesen összekapcsolt elemet alkot anyagrendszer, akkor természetes, hogy az elektron elektromágneses terének mozgási tömege közvetlenül magához az elektronhoz köthető.
Az elektronnak a részecske tulajdonságain kívül még van hullám tulajdonságai. A tapasztalatok azt mutatják, hogy az elektronok áramlása, mint pl fényáram, hullámszerű mozgás formájában terjed. Az elektronáramlás térbeli hullámmozgásának természetét az elektronhullámok interferencia és diffrakciós jelenségei igazolják.
Elektron interferencia- ez az elektronikus végrendeletek egymásra helyezésének jelensége, ill elektrondiffrakció- ez az elektronhullámok élek körüli meghajlásának jelensége szűk rés, amelyen az elektronáram áthalad. Következésképpen az elektron nem csak egy részecske, hanem egy „részecskehullám”, amelynek hossza az elektron tömegétől és sebességétől függ.
Megállapítást nyert, hogy az elektron amellett, hogy annak előre mozgás, is vállalja forgó mozgás tengelye körül. Ezt a fajta elektronmozgást "spin"-nek nevezik angol szó"pörgés" - orsó). Az ilyen mozgás hatására az elektron, kivéve elektromos tulajdonságok, amelyet elektromos töltés okoz, szintén megszerzi mágneses tulajdonságok, ebből a szempontból egy elemi mágnesre emlékeztet.
A proton olyan anyagrészecske, amelynek pozitív elektromos töltése egyenlő abszolút érték egy elektron elektromos töltése.
A proton tömege 1,67 · 10-24 g, azaz körülbelül 1840-szerese az elektron „nyugalmi tömegének”.
Az elektrontól és a protontól eltérően a neutronnak nincs elektromos töltése, azaz elektromosan semleges „elemi” anyagrészecske. A neutron tömege majdnem megegyezik a proton tömegével.
Az elektronok, protonok és neutronok, mivel az atomok részei, kölcsönhatásba lépnek egymással. Különösen az elektronok és a protonok kölcsönösen vonzódnak egymáshoz, mint ellentétes elektromos töltésű részecskék. Ugyanakkor az elektronból származó elektron és a protonból származó proton ugyanolyan elektromos töltésű részecskékként taszul.
Mindezen elektromosan töltött részecskék kölcsönhatása az elektromos mezőjükön keresztül megy végbe. Ezek a mezők képviselik különleges fajta anyag, amely fotonoknak nevezett elemi anyagrészecskék gyűjteményéből áll. Minden fotonnak van egy szigorúan meghatározott energiamennyisége benne (energiakvantum).
Az elektromosan töltött anyagrészecskék kölcsönhatása fotonok egymás közötti cseréjével valósul meg. Az elektromosan töltött részecskék közötti kölcsönhatás erejét általában ún elektromos erő.
Az atommagokban található neutronok és protonok is kölcsönhatásba lépnek egymással. Ez a kölcsönhatás azonban már nem elektromos téren keresztül megy végbe, mivel a neutron egy elektromosan semleges anyagrészecske, hanem az úgynevezett nukleáris mezőn keresztül.
Ez a mező is egy speciális anyagtípus, amely mezonoknak nevezett elemi anyagrészecskék gyűjteményéből áll. A neutronok és a protonok kölcsönhatása a mezonok egymással való cseréjével valósul meg. A neutronok és az egymással kölcsönhatásba lépő protonok közötti erőt nukleáris erőnek nevezzük.
Megállapítást nyert, hogy a nukleáris erők az atommagokban rendkívül kis távolságon belül - körülbelül 10-13 cm - hatnak.A nukleáris erők nagyságrendjükben jelentősen meghaladják az atommagban lévő protonok kölcsönös taszításának elektromos erőit. Ez arra a tényre vezet, hogy nemcsak az atommagok belsejében lévő protonok kölcsönös taszításának erőit képesek legyőzni, hanem protonok és neutronok kombinációjából is nagyon erős magrendszereket hozhatnak létre.
Az egyes atomok magjának stabilitása két egymásnak ellentmondó erő – a nukleáris (protonok és neutronok kölcsönös vonzása) és az elektromos (a protonok kölcsönös taszítása) – közötti kapcsolattól függ.
Az atommagokban ható erőteljes nukleáris erők hozzájárulnak a neutronok és protonok egymásba való átalakulásához. A neutronok és protonok ezen interkonverziói könnyebb elemi részecskék, például mezonok felszabadulásának vagy abszorpciójának eredményeként valósulnak meg.
Az általunk vizsgált részecskéket azért nevezzük eleminek, mert nem más, egyszerűbb anyagrészecskék gyűjteményéből állnak. Ugyanakkor nem szabad megfeledkeznünk arról sem, hogy képesek egymás rovására átalakulni. Tehát ezek a részecskék néhány összetett képződmények, azaz elemiségük feltételes.
Az atomok kémiai szerkezete
Szerkezetében a legegyszerűbb atom a hidrogénatom. Csak két elemi részecske gyűjteményéből áll - egy protonból és egy elektronból. A hidrogénatomrendszer protonja egy központi atommag szerepét tölti be, amely körül az elektron egy bizonyos pályán forog. ábrán. Az 1. ábra sematikusan mutatja a hidrogénatom modelljét.
Rizs. 1. A hidrogénatom szerkezetének vázlata
Ez a modell csak hozzávetőlegesen közelíti a valóságot. Az a tény, hogy az elektronnak mint „részecskehullámnak” nincs a külső környezetétől élesen elhatárolt térfogata. Ez azt jelenti, hogy nem valami egzakt lineáris elektronpályáról kell beszélnünk, hanem egyfajta elektronfelhőről. Ebben az esetben az elektron leggyakrabban elfoglal valamennyit középvonal felhő, amely az egyik lehetséges pályája egy atomban.
Meg kell mondani, hogy maga az elektron pályája nem szigorúan változatlan és mozdulatlan az atomban - az elektron tömegének változása miatt is forgó mozgást végez. Következésképpen az elektron mozgása egy atomban relatív összetett természet. Mivel a hidrogénatom (proton) magja és a körülötte forgó elektron ellentétes elektromos töltésűek, kölcsönösen vonzzák egymást.
Ugyanakkor az atommag körül forgó elektron centrifugális erőt fejleszt ki, amely eltávolítja azt az atommagból. Ennélfogva, elektromos erő az atommag és az elektron közötti kölcsönös vonzás és az elektronra ható centrifugális erő egymásnak ellentmondó erők.
Egyensúlyi állapotban az elektronjuk viszonylag stabil pozíciót foglal el az atom egy bizonyos pályáján. Mivel az elektron tömege nagyon kicsi, ahhoz, hogy kiegyensúlyozza az atommag vonzási erejét, óriási sebességgel kell forognia, ami körülbelül 6 10 15 fordulat/másodperc. Ez azt jelenti, hogy a hidrogénatom rendszerében az elektron, mint bármely más atom, együtt mozog a pályáján lineáris sebesség meghaladja a másodpercenkénti ezer kilométert.
BAN BEN normál körülmények között Az elektron egy ilyen atomban forog az atommaghoz legközelebb eső pályán. Ugyanakkor a lehető legkisebb energiamennyiséggel rendelkezik. Ha ilyen vagy olyan okból, például az atomrendszerbe behatolt más anyagrészecskék hatására az elektron az atomtól távolabbi pályára kerül, akkor már valamivel nagyobb energiájú lesz.
Az elektron azonban jelentéktelenül rövid ideig marad ezen az új pályán, majd ismét az atommaghoz legközelebb eső pályára forog. E mozgás során többletenergiáját elektromos mágneses sugárzás - sugárzó energia - formájában adja le (2. ábra).
Rizs. 2. Egy elektron, amikor egy távoli pályáról egy atommaghoz közelebbi pályára mozog, egy kvantum sugárzási energiát bocsát ki.
Minél több energiát kap egy elektron kívülről, annál távolabb kerül a pályája az atommagtól, ahová eljut, és annál inkább nagy mennyiség elektromágneses energia akkor bocsát ki, amikor az atommaghoz legközelebb eső pályára forog.
Az elektron által kibocsátott energia mennyiségének mérésével, amikor az átmenetről különböző pályák az atommaghoz legközelebb állóhoz meg lehetett állapítani, hogy a hidrogénatom rendszerében az elektron, akárcsak bármely más atom rendszerében, nem mozoghat tetszőleges pályára, hanem egy szigorúan meghatározott pályára. annak az energiának megfelelően, amelyet külső erő hatására kap. Azokat a pályákat, amelyeket egy elektron el tud foglalni egy atomban, megengedett pályáknak nevezzük.
Mert pozitív töltés hidrogénatom magja (protontöltés) és negatív töltés az elektronok számszerűen egyenlőek, akkor a teljes töltésük egyenlő nullával. Ez azt jelenti, hogy a hidrogénatom benne van jó állapotban, elektromosan semleges részecske.
Ez minden kémiai elem atomjára igaz: bármely kémiai elem atomja normál állapotban elektromosan semleges részecske, a pozitív és negatív töltések számbeli egyenlősége miatt.
Mivel a hidrogénatom magja csak egy „elemi” részecskét - egy protont - tartalmaz, ennek az atommagnak az úgynevezett tömegszáma eggyel egyenlő. Bármely kémiai elem atommagjának tömegszámát nevezzük teljes szám protonok és neutronok, amelyek ezt az atommagot alkotják.
A természetes hidrogén főként tömegszámmal rendelkező atomok halmazából áll egyenlő eggyel. Ugyanakkor tartalmaz egy másik típusú hidrogénatomot is, amelyek tömegszáma kettő. Ennek a nehéz hidrogénnek az atomjai, úgynevezett deuteronok, két részecske - egy protonból és egy neutronból - állnak. A hidrogénnek ezt az izotópját deutériumnak nevezik.
BAN BEN természetes hidrogén Nagyon kis mennyiségű deutérium van. A könnyű hidrogén minden hatezer atomjára (tömegszám 1) csak egy deutérium (nehézhidrogén) jut. A hidrogénnek van egy másik izotópja is - a szupernehéz hidrogén, az úgynevezett trícium. Ennek a hidrogénizotópnak az atommagjában három részecske található: egy proton és két neutron, amelyeket nukleáris erők kötnek egymáshoz. A trícium atom magjának tömegszáma három, azaz a trícium atom háromszor nehezebb, mint egy könnyű hidrogénatom.
Bár a hidrogénizotópok atomjai rendelkeznek különféle tömegek de mégis ugyanolyan kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek, Például könnyű hidrogén, belépő kémiai reakció oxigénnel, képződik vele összetett- víz. Hasonlóképpen, a hidrogén izotópja - deutérium, oxigénnel egyesülve vizet képez, amely ellentétben közönséges víz nehézvíznek nevezik. A nehézvizet széles körben használják a nukleáris (nukleáris) energia előállítási folyamatában.
Ennélfogva, Kémiai tulajdonságok az atomok nem a magjuk tömegétől, hanem csak az atom elektronhéjának szerkezetétől függenek. Mivel a könnyű hidrogén-, deutérium- és tríciumatomok azonos számú elektronnal rendelkeznek (atomonként egy), ezek az izotópok azonos kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek.
Nem véletlen, hogy a hidrogén kémiai elem az elemek periódusos rendszerében az első számot foglalja el. Az a tény, hogy van némi kapcsolat az elemek periódusos rendszerében lévő bármely elem száma és az elem atommagjának töltésértéke között. Így lehet megfogalmazni: bármely kémiai elem sorszáma az elemek periódusos rendszerében numerikusan megegyezik ezen elem magjának pozitív töltésével, következésképpen a körülötte forgó elektronok számával.
Mivel a hidrogén az elemek periódusos rendszerében az első számot foglalja el, ez azt jelenti, hogy az atommag pozitív töltése egyenlő eggyelés hogy egy elektron kering az atommag körül.
A hélium kémiai elem a második helyet foglalja el az elemek periódusos rendszerében. Ez azt jelenti, hogy az atommag pozitív elektromos töltése két egységnyi, azaz magjában két proton kell, hogy legyen, az atom elektronhéján pedig két elektród.
A természetes hélium két izotópból áll - nehéz és könnyű héliumból. A nehéz hélium tömegszáma négy. Ez azt jelenti, hogy egy nehéz hélium atom magjában a fent említett két protonon kívül még két neutront kell tartalmaznia. Ami a könnyű héliumot illeti, annak tömegszáma három, azaz a magjában két proton mellett még egy neutront kell tartalmaznia.
Megállapították, hogy a természetes héliumban a könnyű hélium atomok száma megközelítőleg egy milliomod része a nehéz héliumatomoknak. ábrán. A 3. ábra a héliumatom sematikus modelljét mutatja.
Rizs. 3. A hélium atom szerkezetének vázlata
A kémiai elemek atomjainak szerkezetének további bonyolultsága az atommagokban lévő protonok és neutronok számának növekedése és ezzel egyidejűleg az atommagok körül forgó elektronok számának növekedése miatt következik be (4. ábra). ). Kihasználva periodikus rendszer elemekkel, könnyű meghatározni a különböző atomokat alkotó elektronok, protonok és neutronok számát.
Rizs. 4. Az atommagok szerkezeti vázlatai: 1 - hélium, 2 - szén, 3 - oxigén
Egy kémiai elem rendszáma megegyezik az atommagban elhelyezkedő protonok számával, és egyben az atommag körül forgó elektronok számával. Ami az atomtömeget illeti, ez megközelítőleg egyenlő tömegszám atom, azaz az atommagban egyesült protonok és neutronok száma. Ezért egy elem atomsúlyából levonva egy számot, amely egyenlő sorozatszám elem, akkor meghatározhatja, hogy egy adott atommag hány neutront tartalmaz.
Megállapítást nyert, hogy a könnyű kémiai elemek magjait, amelyek egyenlő arányban tartalmaznak protonokat és neutronokat, nagyon nagy szilárdság jellemzi, mivel a nukleáris erők viszonylag nagyok. Például egy nehéz hélium atom magja rendkívül erős, mert két protonból és két neutronból áll, amelyeket erős nukleáris erők kötnek össze.
A nehezebb kémiai elemek atommagjai egyenlőtlenül sok protont és neutront tartalmaznak, így a kötésük az atommagban gyengébb, mint a könnyű kémiai elemek atommagjaiban. Ezeknek az elemeknek a magjai viszonylag könnyen széthasíthatók, ha atomi „lövedékekkel” (neutronokkal, héliummagokkal stb.) bombázzák őket.
Ami a legnehezebb kémiai elemeket illeti, különösen a radioaktívakat, azok magjai olyan gyengék, hogy spontán módon szétesnek alkotóelemeikre. Például az atomok radioaktív elem A 88 proton és 138 neutron kombinációjából álló rádium spontán bomlik, és a radon radioaktív elem atomjaivá alakul. Ez utóbbiak atomjai viszont szétesnek alkotórészeikre, és más elemek atomjaivá alakulnak.
Röviden áttekintve alkatrészek kémiai elemek atommagjai, vegyük figyelembe az atomok elektronhéjának szerkezetét. Mint ismeretes, az elektronok csak szigorúan meghatározott pályákon foroghatnak az atommagok körül. Ráadásul az egyes atomok elektronhéjában annyira csoportosultak, hogy az egyes elektronrétegek megkülönböztethetők.
Minden réteg legfeljebb szigorúan meghaladó elektronszámot tartalmazhat egy bizonyos szám. Tehát például az atommaghoz legközelebb eső első elektronrétegben legfeljebb két elektron lehet, a másodikban legfeljebb nyolc elektron stb.
Azoknak az atomoknak van a legstabilabb elektronhéjuk, amelyek külső elektronrétegei teljesen meg vannak töltve. Ez azt jelenti adott atom szilárdan tartja az összes elektronját, és nem kell további mennyiséget kívülről fogadnia. Például egy hélium atomnak két elektronja van, amelyek teljesen kitöltik az első elektronréteget, és egy neonatom tíz elektronból áll, amelyek közül az első kettő teljesen kitölti az első elektronréteget, a többi pedig a másodikat (5. ábra).
Rizs. 5. A neonatom szerkezetének vázlata
Következésképpen a hélium és a neon atomok teljesen stabil elektronikus héjakkal rendelkeznek, és nem törekednek arra, hogy mennyiségileg módosítsák őket. Az ilyen elemek kémiailag semlegesek, azaz nem lépnek kémiai kölcsönhatásba más elemekkel.
A legtöbb kémiai elemnek azonban vannak olyan atomjai, amelyekben a külső elektronrétegek nincsenek teljesen tele elektronokkal. Például egy káliumatom tizenkilenc elektronból áll, amelyek közül tizennyolc teljesen kitölti az első három réteget, és a tizenkilencedik elektron egyedül van a következő, kitöltetlen elektronrétegben. A negyedik elektronréteg gyenge teletöltése elektronokkal oda vezet, hogy az atommag nagyon gyengén tartja a legkülső elektront, a tizenkilencedik elektront, ezért az utóbbi könnyen kiszakítható az atomból. .
Vagy például egy oxigénatom nyolc elektronból áll, amelyek közül kettő teljesen kitölti az első réteget, a maradék hat pedig a második rétegben található. Így az oxigénatom második elektronrétegének teljes felépítéséhez mindössze két elektronra van szüksége. Ezért az oxigénatom nemcsak szilárdan tartja hat elektronját a második rétegben, hanem képes magához vonzani azt a két elektront is, amelyek hiányoznak a második elektronréteg kitöltéséhez. Ezt úgy éri el kémiai vegyület olyan elemek atomjaival, amelyek rendelkeznek külső elektronok gyengén kötődnek a magjukhoz.
Azok a kémiai elemek, amelyek atomjainak nincs elektronokkal teljesen kitöltött külső elektronrétege, általában kémiailag aktívak, vagyis könnyen lépnek kémiai kölcsönhatásba.
Tehát a kémiai elemek atomjaiban lévő elektronok szigorúan benn találhatók egy bizonyos sorrendbenés annak bármilyen változása térbeli elrendezés vagy az atom elektronhéjában lévő mennyiség az utóbbi fizikai-kémiai tulajdonságainak megváltozásához vezet.
Az atomrendszerben lévő elektronok és protonok számának egyenlősége az oka annak, hogy teljes elektromos töltése nulla. Ha az atomrendszerben az elektronok és protonok számának egyenlősége megsérül, akkor az atom elektromosan töltött rendszerré válik.
Ionnak nevezzük azt az atomot, amelynek rendszerében az ellentétes elektromos töltések egyensúlya megbomlik amiatt, hogy az elektronjainak egy részét elvesztette, vagy éppen ellenkezőleg, felesleget szerzett belőlük.
Ellenkezőleg, ha egy atom extra elektronokat vesz fel, negatív ionná válik. Például egy klóratom, amely egy plusz elektront nyer, egyszeresen töltődik. negatív ion klór Cl - . Az oxigénatom, amely további két elektront kapott, kétszeresen töltött negatív oxigénionná alakul O stb.
Az ionná változott atom a következőképpen alakul külső környezet elektromosan feltöltött rendszer. Ez azt jelenti, hogy az atom kezdett birtokolni elektromos mező, amellyel együtt egyetlen anyagi rendszert alkot és ezen a területen keresztül végzi elektromos kölcsönhatás más elektromos töltésű anyagrészecskékkel - ionokkal, elektronokkal, pozitív töltésű atommagokkal stb.
Az ionoktól eltérően, hogy kölcsönösen vonzódhatnak egymáshoz, az az oka, hogy kémiailag egyesülnek, összetettebb anyagrészecskéket - molekulákat - képezve.
Végezetül meg kell jegyezni, hogy egy atom méretei nagyon nagyok az őket alkotó anyagrészecskék méretéhez képest. A legösszetettebb atom magja az összes elektronnal együtt az atom térfogatának egy milliárdod részét foglalja el. Egy egyszerű számítás megmutatja, hogy ha valakinek sikerült köbméter a platinát olyan szorosan összenyomni, hogy az atomon belüli és interatomikus terek eltűnjenek, akkor körülbelül egy köbmilliméternek megfelelő térfogatot kapunk.
Előző cikk: Mekkora a fénysebesség Következő cikk: Harmonikus rezgések Az oszcillációs frekvencia fizikai képlete