Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи
- Перевод
В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.
Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:
- 0,93827 ГэВ/с 2 у протона,
- 0,93957 ГэВ/с 2 у нейтрона.
Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.
Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.
Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые , но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье "Что такое протон, и что у него внутри? ", что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.
Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от "квантовая хромодинамика ". Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:
- У простых уравнений могут оказаться очень сложные решения,
- Иногда невозможно описать сложные решения простым способом.
Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.
Первый уровень понимания
Из чего состоят протоны и нейтроны?Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего
Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.
Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.
Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне
Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.
Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в : протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.
Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов
Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).
Что у этих трёх описаний общего:
- Два верхних кварка и нижний кварк (плюс что-то ещё) у протона.
- Один верхний кварк и два нижних кварка (плюс ещё что-то) у нейтрона.
- «Ещё что-то» у нейтронов совпадает с «ещё чем-то» у протонов. То есть, у нуклонов «ещё что-то» одинаковое.
- Небольшая разница в массе у протона и нейтрона появляется из-за разницы масс нижнего кварка и верхнего кварка.
- у верхних кварков электрический заряд равен 2/3 e (где e – заряд протона, -e – заряд электрона),
- у нижних кварков заряд равен -1/3e,
- у глюонов заряд 0,
- у любого кварка и соответствующего ему антикварка общий заряд равен 0 (к примеру, у антинижнего кварка заряд +1/3e, так что у нижнего кварка и нижнего антикварка заряд будет –1/3 e +1/3 e = 0),
- общий электрический заряд протона 2/3 e + 2/3 e – 1/3 e = e,
- общий электрический заряд нейтрона 2/3 e – 1/3 e – 1/3 e = 0.
- сколько «ещё чего-то» внутри нуклона,
- что оно там делает,
- откуда берутся масса и энергия массы (E = mc 2 , энергия, присутствующая там, даже когда частица покоится) нуклона.
Рис. 1 говорит о том, что кварки, по сути, представляют собой треть нуклона – примерно так, как протон или нейтрон представляют четверть ядра гелия или 1/12 ядра углерода. Если бы этот рисунок был правдив, кварки в нуклоне двигались бы относительно медленно (со скоростями гораздо меньшими световой) с относительно слабыми взаимодействиями, действующими между ними (хотя и при наличии некоей мощной силы, удерживающей их на месте). Масса кварка, верхнего и нижнего, составляла бы тогда порядка 0,3 ГэВ/с 2 , примерно треть массы протона. Но это простое изображение и навязываемые им идеи просто неверны.
Рис. 3. даёт совершенно другое представление о протоне, как о котле частиц, снующих в нём со скоростями, близкими к световой. Эти частицы сталкиваются друг с другом, и в этих столкновениях некоторые из них аннигилируют, а другие создаются на их месте. Глюоны не имеют массы, массы верхних кварков составляют порядка 0,004 ГэВ/с 2 , а нижних – порядка 0,008 ГэВ/с 2 - в сотни раз меньше протона. Откуда берётся энергия массы протона, вопрос сложный: часть её идёт от энергии массы кварков и антикварков, часть – от энергии движения кварков, антикварков и глюонов, а часть (возможно, положительная, возможно, отрицательная) из энергии, хранящейся в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем кварки, антикварки и глюоны вместе.
В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.
У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона . Те же проблемы есть и у рис. 2.
Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.
Стоит отметить, что чрезвычайную сложность строения, подразумеваемая рис. 3, стоило ожидать от объекта, который удерживает вместе такая мощная сила, как сильное ядерное взаимодействие. И ещё одно: три кварка (два верхних и один нижний у протона), не являющиеся частью группы пар кварков-антикварков, часто называют «валентными кварками», а пары кварков-антикварков – «морем кварковых пар». Такой язык во многих случаях технически удобен. Но он даёт ложное впечатление того, что если бы вы смогли заглянуть внутрь протона, и посмотрели на определённый кварк, вы сразу смогли бы сказать, является ли он частью моря или валентным. Этого сделать нельзя, такого способа просто нет.
Масса протона и масса нейтрона
Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.Рис. 1 говорит о том, что верхний и нижний кварки просто составляют по 1/3 от массы протона и нейтрона: порядка 0,313 ГэВ/с 2 , или из-за энергии, необходимой для удержания кварков в протоне. И поскольку разница между массами протона и нейтрона составляет долю процента, разница между массами верхнего и нижнего кварка тоже должна составлять долю процента.
Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.
Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.
Чтобы понять, как это работает, нужно думать не в терминах массы m протона, но в терминах его энергии массы E = mc 2 , энергии, связанной с массой. Концептуально правильным вопросом будет не «откуда взялась масса протона m», после которого вы можете подсчитать E, умножив m на c 2 , а наоборот: «откуда берётся энергия массы протона E», после которого можно подсчитать массу m, разделив E на c 2 .
Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:
А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.
Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.
Подводя итоги, укажем, что:
- Рис. 1 предполагает, что энергия массы протона происходит из вклада А).
- Рис. 2 предполагает, что важны оба вклада А) и В), и немного своей доли вносит Б).
- Рис. 3 предполагает, что важны Б) и В), а вклад А) оказывается незначительным.
Если рис. 3 не врёт, массы кварка и антикварка очень малы. Какие они на самом деле? Масса верхнего кварка (как и антикварка) не превышает 0,005 ГэВ/с 2 , что гораздо меньше, чем 0,313 ГэВ/с 2 , который следует из рис. 1. (Массу верхнего кварка тяжело измерить, и это значение меняется из-за тонких эффектов, так что она может оказаться гораздо меньшей, чем 0,005 ГэВ/с 2). Масса нижнего кварка примерно на 0,004 ГэВ/с 2 больше массы верхнего. Это значит, что масса любого кварка или антикварка не превышает одного процента массы протона.
Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.
Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.
На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.
Размеры и массы атомов малы. Радиус атомов составляет 10 -10 м, а радиус ядра – 10 -15 м. Масса атома определяется делением массы одного моль атомов элемента на число атомов в 1 моль (N A = 6,02·10 23 моль -1). Масса атомов изменяется в пределах 10 -27 ~ 10 -25 кг. Обычно массу атомов выражают в атомных единицах массы (а.е.м.). За а.е.м. принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12 С.
Основными характеристиками атома являются заряд его ядра (Z) и массовое число (А). Число электронов в атоме равно заряду его ядра. Свойства атомов определяются зарядом их ядер, числом электронов и их состоянием в атоме.
Основные свойства и строение ядра (теория состава атомных ядер)
1. Ядра атомов всех элементов (за исключением водорода) состоят из протонов и нейтронов.
2.Число протонов в ядре определяет значение его положительного заряда (Z). Z - порядковый номер химического элемента в периодической системе Менделеева.
3. Суммарное число протонов и нейтронов - значение его массы, так как масса атома в основном сосредоточена в ядре (99, 97% массы атома). Ядерные частицы - протоны и нейтроны - объединяются под общим названием нуклоны (от латинского слова nucleus, что означает “ядро”). Общее число нуклонов соответствует - массовому числу, т.е. округленной до целого числа его атомной массе А.
Ядра с одинаковыми Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом А имеют различные Z , называются изобарами . Всего известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов
4. Число нейтронов в ядре N может быть найдено по разности между массовым числом (А ) и порядковым номером (Z ):
5. Размер ядра характеризуется радиусом ядра , имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра.
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.
Протонно-нейтронная теория позволила разрешить возникшие ранее противоречия в представлениях о составе атомных ядер и о его связи с порядковым номером и атомной массой.
Энергия связи ядра определяется величиной той работы, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны без придания им кинетической энергии. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра должна выделяться такая же энергия, какую нужно затратить при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре.
При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов. Уменьшение массы ядра при его образовании объясняется выделением энергии связи. Если W св- величина энергии, выделяющейся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Dm, равная
называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Одной атомной единице массы соответствует атомная единица энергии (а.е.э.): а.е.э.=931,5016 МэВ.
Удельной энергией связи ядра w
свназывается энергия связи, приходящаяся на один нуклон: w
св= 
. Величина w
свсоставляет в среднем 8 МэВ/нуклон. По мере увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает.
Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов в устойчивом ядре для данных изобаров. (А = const).
Ядерные силы
1. Ядерное взаимодействие свидетельствует о том, что в ядрах существуют особые ядерные силы , не сводящиеся ни к одному из типов сил, известных в классической физике (гравитационных и электромагнитных).
2. Ядерные силы являются короткодействующими силами. Они проявляются лишь на весьма малых расстояниях между нуклонами в ядре порядка 10-15 м. Длина (1,5ј2,2)10-15 мназывается радиусом действия ядерных сил .
3. Ядерные силы обнаруживают зарядовую независимость
: притяжение между двумя нуклонами одинаково независимо от зарядового состояния нуклонов - протонного или нуклонного. Зарядовая независимость ядерных сил видна из сравнения энергий связи в зеркальных ядрах
. Так называются ядра, в которых одинаково общее число нуклонов, но число протонов в одном равно числу нейтронов в другом. Например, ядра гелия 
тяжелого водорода трития - .
4. Ядерные силы обладают свойством насыщения, которое проявляется в том, что нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему соседних нуклонов. Именно поэтому наблюдается линейная зависимость энергий связи ядер от их массовых чисел (А). Практически полное насыщение ядерных сил достигается у a-частицы, которая является очень устойчивым образованием.
Радиоактивность, g -излучение, a и b - распад
1. Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц, ядер или жесткого рентгеновского излучения. Естественной радиоактивностью называется радиоактивность, наблюдающаяся у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственной радиоактивностью называется радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций.
2. Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием гамма-излучения - жесткого, коротковолнового электроволнового излучения. Гамма-излучение является основной формой уменьшения энергии возбужденных продуктов радиоактивных превращений. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским ; возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается испусканием g-фотона.
3. Альфа-распадом
называется испускание ядрами некоторых химических элементов a - частиц. Альфа-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами А
>200 и зарядами ядер Z
>82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных a-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов, т.е. образуется атом элемента, смещенного в таблице периодической системы элементов Д.И. Менделеева (ПСЭ) на две клеточки влево от исходного радиоактивного элемента с массовым числом меньшим не 4 единицы
(правило Содди – Фаянса): 
4. Термином бета-распад обозначают три типа ядерных превращений: электронный (b-) и позитронный (b+) распады, а также электронный захват .
b- распад происходит преимущественно у сравнительно богатых нейтронами ядер. При этом нейтрон ядра распадается на протон, электрон и антинейтрино () с нулевым зарядом и массой.
При b- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд увеличивается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку вправо от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):
b+- распад происходит преимущественно у относительно богатых протонами ядер. При этом протон ядра распадается на нейтрон, позитрон и нейтрино ().
.
При b+- распаде массовое число изотопа не изменяется, так как общее число протонов и нейтронов сохраняется, а заряд уменьшается на 1. Поэтому, атом образовавшегося химического элемента смещается ПСЭ на одну клеточку влево от исходного элемента, а его массовое число не изменяется (правило Содди – Фаянса):
5. В случае электронного захвата превращение заключается в том, что исчезает один из электронов в ближайшем к ядру слое. Протон, превращаясь в нейтрон, как бы “захватывает” электрон; отсюда произошел термин ”электронный захват”. Электронный захват в отличие от b±-захвата сопровождается характеристическим рентгеновским излучением.
6. b--распад происходит у естественно-радиоактивных, а также искусственно-радиоактивных ядер; b+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности.
7. g- излучение: при возбуждении ядро атома испускает электромагнитное излучение с малой длиной волны и высокой частотой, обладающее большой жесткостью и проникающей способностью, чем рентгеновское излучение. В результате энергия ядра уменьшается, а массовое число и заряд ядра остаются не низменными. Поэтому превращение химического элемента в другой не наблюдается, а ядро атома переходит в менее возбужденное состояние.
Все физические тела природы построены из разновидности материи, называемой веществом. Вещества подразделяются на две основные группы - вещества простые и сложные.
Сложными веществами называются такие вещества, которые путем химических реакций могут быть разложены на другие, более простые вещества. В отличие от сложных простыми веществами называются такие, которые химическим путем не могут быть разложены на еще более простые вещества.
Примером сложного вещества может служить вода, которая путем химической реакции может быть разложена на два других, более простых вещества - водород и кислород. Что же касается последних двух, то они химическим путем уже не могут быть разложены на более простые вещества, а поэтому являются простыми веществами, или, иначе, химическими элементами.
В первой половине XIX века в науке существовало предположение, что химические элементы являются неизменными веществами, не имеющими общей связи друг с другом. Однако русский ученый Д. И. Менделеев (1834 - 1907) впервые в 1869 г. выявил связь химических элементов, показав, что качественная характеристика каждого из них находится в зависимости от его количественной характеристики - атомного веса.
Изучая свойства химических элементов, Д. И. Менделеев подметил, что свойства их периодически повторяются в зависимости от их атомного веса. Эту периодичность он отобразил в форме таблицы, вошедшей в науку под названием «Периодическая система элементов Менделеева».
Ниже приведена современная периодическая таблица химических элементов Менделеева.
Атомы
Согласно современным представлениям науки каждый химический элемент состоит из совокупности мельчайших материальных (вещественных) частиц, называемых атомами.
Атомом называется самая малая доля химического элемента, которая уже не может быть разложена химическим путем на другие, более мелкие и простые материальные частицы.
Атомы различных по своей природе химических элементов отличаются друг от друга своими физико-химическими свойствами, структурой, размерами, массой, атомным весом, собственной энергией и некоторыми иными свойствами. Например, атом водорода резко отличается по своим свойствам и структуре от атома кислорода, а последний - от атома урана и т. д.
Установлено, что атомы химических элементов чрезвычайно малы по своим размерам. Если условно принять, что атомы имеют шарообразную форму, то поперечники их должны быть равны стомиллионным долям сантиметра. Например, поперечник атома водорода - самого маленького атома в природе - равен одной стомиллионной доле сантиметра (10 -8 см), а поперечники самых больших атомов, например атома урана, не превышают трех стомиллионных долей сантиметра (3 · 10 -8 см). Следовательно, атом водорода во столько раз меньше шарика радиусом в один сантиметр, во сколько последний меньше земного шара.
В соответствии с весьма малыми размерами атомов их масса также очень мала. Например, масса атома водорода равна т = 1,67· 10 -24 г. Это значит, что в одном грамме водорода содержится примерно 6 · 10 23 атомов.
За условную единицу измерения атомных весов химических элементов принята 1/16 часть веса атома кислорода, В соответствии с этим атомным весом химического элемента называют отвлеченное число, показывающее, во сколько раз вес данного химического элемента больше 1/16 части веса атома кислорода.
В периодической таблице элементов Д. И. Менделеева приведены атомные веса всех химических элементов (см. число, помещенное под названием элемента). Из этой таблицы мы видим, что наиболее легким атомом является атом водорода, имеющий атомный вес 1,008. Атомный вес углерода равен 12, кислорода - 16 и т. д.
Что же касается более тяжелых химических элементов, то их атомный вес превышает атомный вес водорода более чем в двести раз. Так, атомный вер ртути равен 200,6, радия - 226 и т.д.Чем выше порядок номера, занимаемого химическим элементом в периодической системе элементов, тем больше атомный вес.
Большая часть атомных весов химических элементов выражается дробными числами. Это в известной мере объясняется тем, что такие химические элементы состоят из совокупности скольких сортов атомов, обладающих различными атом весами, но одинаковыми химическими свойствами.
Химические элементы, занимающие один вый номер в периодической системе элементов, а следовательно, обладающие одинаковыми химическими свойствами, но различными атомными весами, называются изотопами.
Изотопы найдены у большинства химических элементов, имеет два изотопа, кальций - четыре, цинк - пять, олово - одиннадцать и т. д. Многие изотопы получены искусстве путем, среди них некоторые имеют большое практическое значение.
Элементарные частицы вещества
Долгое время считалось, что атомы химических элем являются пределом делимости вещества, т. е. как бы элементарными "кирпичиками" мироздания. Современная наука отвергла эту гипотезу, установив, что атом любого химического эле представляет собой совокупность еще более мелких материальных частиц, чем сам атом.
Согласно электронной теории строения вещества атом любого химического элемента представляет собой систему, состоящую из центрального ядра, вокруг которого вращаются "элементарные" вещественные частицы, называемые электронами. Ядра атомов, согласно общепринятым взглядам состоят из совокупности "элементарных" вещественных частиц - протонов и нейтронов.
Чтобы понять строение атомов и физико-химические процессы в них, необходимо хотя бы вкратце ознакомиться с основными характеристиками элементарных частиц, входящих в состав атомов.
Установлено, что электрон - это вещественная частица, обладающая самым малым наблюдаемым в природе отрицательным электрическим зарядом .
Если условно считать, что электрон как частица имеет шарообразную форму, то поперечник электрона должен быть равным 4 · 10 -13 см, т. е. он меньше поперечника любого атома в десятки тысяч раз.
Электрон, как и всякая иная вещественная частица, обладает массой. "Масса покоя" электрона, т. е. та масса, которой он обладает в состоянии относительного покоя, равна m о = 9,1 · 10 -28 г.
Исключительно малая "масса покоя" электрона свидетельствует о том, что инертные свойства электрона проявляются исключительно слабо, а это значит, что электрон под влиянием переменной электрической силы может колебаться в пространстве с частотой во много миллиардов периодов в секунду.
Масса электрона настолько мала, что для получения одного грамма электронов их потребовалось бы взять 1027 единиц. Чтобы иметь хотя бы некоторое физическое представление об этом колоссально большом числе, приведем такой пример. Если бы можно было один грамм электронов расположить на прямой линии вплотную друг к другу, то они образовали бы цепочку длиной в четыре миллиарда километров.
Масса электрона, как и всякой иной вещественной микрочастицы, зависит от скорости его движения. Электрон, находясь в состоянии относительного покоя, обладает "массой покоя", имеющей механическую природу, как и масса всякого физического тела. Что же касается "массы движения" электрона, увеличивающейся с ростом скорости его движения, то она электромагнитного происхождения. Она обусловлена наличием у движущегося электрона электромагнитного поля как некоторого вида материи, обладающего массой и электромагнитной энергией.
Чем быстрее движется электрон, тем больше проявляются инерционные свойства его электромагнитного поля, тем, следовательно, больше масса последнего и соответственно электромагнитная энергия его. Так как электрон со своим электромагнитным полем составляет единую, органически связанную материальную систему, то естественно, что массу движения электромагнитного поля электрона можно непосредственно приписать самому электрону.
Электрон, помимо свойств частицы, обладает и волновыми свойствами. Опытом установлено, что поток электронов, подобно световому потоку, распространяется в форме волнообразного движения. Характер волнового движения электронного потока в пространстве подтверждается явлениями интерференции и дифракции электронных волн.
Интерференция электронов - это явление наложения электронных воли друг на друга, а дифракция электронов - это явление огибания электронными волнами краев узкой щели, сквозь которую проходит электронный поток. Следовательно, электрон - это не просто частица, а "частица-волна", длина которой зависит от массы и скорости движения электрона.
Установлено, что электрон, помимо своего поступательного движения, совершает еще и вращательное движение вокруг своей оси. Этот вид движения электрона получил название "спина" (от английского слова "спин" - веретено). В результате такого движения электрон, кроме электрических свойств, обусловленных электрическим зарядом, приобретает еще и магнитные свойства, напоминая в этом отношении элементарный магнитик.
Протон - это вещественная частица, обладающая положительным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине электрическому заряду электрона.
Масса протона равна 1,67 · 10 -24 г, т. е. она примерно в 1840 раз больше "массы покоя" электрона.
В отличие от электрона и протона, нейтрон не обладает электрическим зарядом, т. е. он является электронейтральной «элементарной» частицей вещества. Масса нейтрона практически равна массе протона.
Электроны, протоны и нейтроны, находясь в составе атомов, взаимодействуют друг с другом. В частности, электроны и протоны взаимно притягиваются друг к другу как частицы, обладающие разноименными электрическими зарядами. Одновременно с этим электрон от электрона и протон от протона отталкиваются как частицы, обладающие одноименными электрическими зарядами.
Взаимодействие всех этих электрически заряженных частиц происходит через их электрические поля. Эти поля представляют собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых фотонами. Каждый фотон обладает строго определенным присущим ему количеством энергии (квантом энергии).
Взаимодействие электрически заряженных материальных вещественных частиц осуществляется путем обмена их друг с другом фотонами. Сила взаимодействия электрически заряженных частиц обычно называется электрической силой .
Нейтроны и протоны, находящиеся в ядрах атомов, также взаимодействуют друг с другом. Однако это взаимодействие их осуществляется уже не через электрическое поле, так как нейтрон - электронейтральная частица вещества, а через так называемое ядерное поле .
Это поле также представляет собой особый вид материи, состоящей из совокупности элементарных материальных частиц, называемых мезонами . Взаимодействие нейтронов и протонов осуществляется путем обмена их друг с другом мезонами. Сила взаимодействия нейтронов и протонов друг с другом называется ядерной силой .
Установлено, что ядерные силы действуют в ядрах атомов в пределах исключительно малых расстояний - примерно 10 - 13 см.Ядерные силы значительно превосходят по своей величине электрические силы взаимного отталкивания протонов в ядре атома. Это приводит к тому, что они в состоянии не только преодолеть внутри ядер атомов силы взаимного отталкивания протонов, но и создать из совокупности протонов и нейтронов весьма прочные системы ядер.
Устойчивость ядра каждого атома зависит от соотношения двух противоречивых сил - ядерных (взаимное притяжение протонов и нейтронов) и электрических (взаимное отталкивание протонов).
Мощные ядерные силы, действующие в ядрах атомов, способствуют превращению нейтронов и протонов друг в друга. Эти взаимопревращения нейтронов и протонов осуществляются в результате выделения или поглощения ими более легких элементарных частиц, например мезонов.
Рассмотренные нами частицы названы элементарными потому, что они не состоят из совокупности других, более простых частиц материи. Но в то же время не надо забывать, что они способны превращаться друг в друга, возникать за счет друг друга. Таким образом, эти частицы являются некоторыми сложными образованиями, т. е. их элементарность условна.
Химическое строение атомов
Простейшим по своему устройству атомом является атом водорода. Он состоит из совокупности только двух элементарных частиц - протона и электрона. Протон в системе атома водорода играет роль центрального ядра, вокруг которого по некоторой орбите вращается электрон. На рис. 1 схематически показана модель атома водорода.
Рис. 1. Схема строения атома водорода
Эта модель - только грубое приближение к действительности. Дело в том, что электрон как "частица-волна" не обладает резко отграниченным от внешней среды объемом. А это значит, что следует говорить не о некоторой точной линейной орбите электрона, а о своеобразном электронном облачке. При этом электрон чаще всего занимает некоторую среднюю линию облачке, являющуюся одной из возможных орбит его в атоме.
Надо сказать, что и сама орбита электрона не является строга неизменной и неподвижной в атоме - она тоже в силу изменения массы электрона совершает некоторое вращательное движение. Следовательно, движение электрона в атоме носит относительно сложный характер. Так как ядро атома водорода (протон) и вращающийся вокруг него электрон обладают разноименными электрическими зарядами, то они взаимно притягиваются.
Одновременно с этим стой энергии электрон, вращаясь вокруг ядра атома, развивает центробежную силу, стремящуюся удалить его от ядра. Следовательно, электрическая сила взаимного притяжения ядра атома и электрона и центробежная сила, действующая на электрон, - силы противоречивые.
При равновесии их электрон занимает относительно устойчивое положение на некоторой орбите в атоме. Так как масса электрона очень мала, то для уравновешивания силы притяжения к ядру атома он должен вращаться с громадной скоростью, равной примерно 6· 10 15 оборотам в секунду. Это значит, что электрон в системе атома водорода, как и всяком ином атоме, движется по своей орбите с линейной скоростью, превышающей тысячу километров в секунду.
В нормальных условиях электрон вращается в атоме рода по наиболее близко расположенной к ядру орбите. При этом он обладает минимальным возможным количеством энергии. Если же по тем или иным причинам, например под воздействием каких-либо иных материальных частиц, вторгнувшихся систему атома, электрон перейдет на более удаленную от атома орбиту, то он уже будет обладать несколько большим количеством энергии.
Однако на этой новой орбите электрон но пребывает ничтожно малое время, после чего он снова вращается на ближайшую к ядру атома орбиту. При этом ходе он отдает излишек своей энергии в виде кванта эле магнитного излучения - лучистой энергии (рис. 2).
Рис. 2. Электрон при переходе с далекой орбиты на более близкую к ядру атома излучает квант лучистой энергии
Чем больше получает извне энергии электрон, тем на удаленную от ядра атома орбиту он переходит и тем большее количество электромагнитной энергии он излучает, когда вращается на ближайшую к ядру орбиту.
Измеряя количество энергии, излучаемой электроном при переходе с различных орбит на ближайшую к ядру атома, удалось установить, что электрон в системе атома водорода, как и в системе любого иного атома, может переходить не на любую произвольную орбиту, на строго определенную в соответствии с той энергией, которую он получает под действием внешней силы. Орбиты, которые может занимать электрон в атоме, называются дозволенными орбитами.
Так как положительный заряд ядра атома водорода (заряд протона) и отрицательный заряд электрона численно равны, то суммарный их заряд равен нулю. Это значит, что атом водорода, находясь в нормальном состоянии, является электронейтральной частицей.
Это справедливо для атомов всех химических элементов: атом любого химического элемента, находящийся в нормальном со стоянии, является электронейтральной частицей из-за численного равенства его положи тельных и отрицательных зарядов.
Поскольку в состав ядра атома водорода входит только одна "элементарная" частица - протон, то так называемое массовое число этого ядра равно единице. Массовым числом ядра атома любого химического элемента называется общее число протонов и нейтронов входящих в состав этого ядра.
Природный водород в основном состоит из совокупности атомов с массовым числом, равным единице. Однако в составе его имеется и другой сорт атомов водорода, с массовым числом равным двум. Ядра атомов этого тяжелого водорода называемые дейтонами, состоят из двух частиц - протона и нейтрона. Этот изотоп водорода называется дейтерием.
В природном водороде дейтерия содержится весьма незначительное количество. На каждые шесть тысяч атомов легкого водорода (массовое число равно единице) приходится только один атом дейтерия (тяжелого водорода). Существует еще один изотоп водорода - сверхтяжелый водород получивший название тритий. В ядрах атома этого изотопе водорода имеются три частицы: протон и два нейтрона, связанных друг с другом ядерными силами. Массовое число ядра атома трития равно трем, т. е. атом трития в три раза тяжелей атома легкого водорода.
Хотя атомы изотопов водорода и имеют различные массы но все же они обладают одинаковыми химическими свойствами, Например, легкий водород, вступая в химическое взаимодействие с кислородом, образует с ним сложное вещество - воду. Аналогично этому изотоп водорода - дейтерий, соединяясь с кислородом, образует воду, которая в отличие от обычной воды называется тяжелой водой. Тяжелая вода находит большое применение в процессе производства ядерной (атомной) энергии.
Следовательно, химические свойства атомов зависят не от массы их ядер, а только от строения электронной оболочки атома. Поскольку в атомах легкого водорода, дейтерия и трития имеется одинаковое количество электронов (по одному на каждый атом), эти изотопы имеют одинаковые химические свойства.
Химический элемент водород не случайно занимает первый номер в периодической системе элементов. Дело в том, что между номером любого элемента в периодической системе элементов и величиной заряда ядра атома этого элемента существует некоторая связь. Ее можно сформулировать так: порядковый номер всякого химического элемента в периодической системе элементов численно равен положительному заряду ядра этого элемента, а следовательно, и числу вращающихся вокруг него электронов.
Так как водород занимает первый номер в периодической системе элементов, то это значит, что положительный заряд ядра его атома равен единице и что вокруг ядра вращается один электрон.
Химический элемент гелий занимает второй номер в периодической системе элементов. Это значит, что он имеет положительный электрический заряд ядра, равный двум единицам, т. е. в составе его ядра должно быть два протона, а в электронной оболочке атома - два электрода.
Природный гелий состоит из двух изотопов - тяжелого и легкого гелия. Массовое число тяжелого гелия равно четырем. Это значит, что в состав ядра атома тяжелого гелия, помимо вышеупомянутых двух протонов, должны входить еще два нейтрона. Что же касается легкого гелия, то его массовое число равно трем, т. е. в состав его ядра, помимо двух протонов, должен входить еще один нейтрон.
Установлено, что в природном гелии число атомов легкого гелия составляет примерно одну миллионную долю атомов тяжелого гения. На рис. 3 показана схематически модель атома гелия.
Рис. 3. Схема строения атома гелия
Дальнейшее усложнение строения атомов химических элементов идет за счет увеличения количества протонов и нейтронов в ядрах этих атомов и одновременно за счет увеличения количества электронов, вращающихся вокруг ядер (рис. 4). Пользуясь периодической системой элементов, легко определить число электронов, протонов и нейтронов входящих в состав различных атомов.
Рис. 4. Схемы строения ядер атомов: 1 - гелий, 2 - углерод, 3 - кислород
Порядковый номер химического элемента равен числу протонов, находящихся в ядре атома, а одновременно с этим числу электронов, вращающихся вокруг ядра. Что же касается атомного веса, то он приближенно равен массовому числу атома, т. е. числу вместе взятых протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, вычитая из атомного веса элемента число, равное порядковому номеру элемента, можно определить, какое количество нейтронов содержится в данном ядре.
Установлено, что ядра легких химических элементов, имеющих в своем составе поровну протонов и нейтронов, отличаются весьма большой прочностью, так как ядерные силы в них относительно велики. Например, ядро атома тяжелого гелия отличается исключительно большой прочностью, так как оно составлено из двух протонов и двух нейтронов, связанных друг с другом мощными ядерными силами.
Ядра атомов более тяжелых химических элементов содержат в своем составе уже неодинаковое количество протонов и нейтронов, поэтому их связь в ядре слабее, чем в ядрах легких химических элементов. Ядра этих элементов могут быть относительно легко расщеплены при бомбардировке их атомными «снарядами» (нейтронами, ядрами атома гелия и т. д.).
Что же касается наиболее тяжелых химических элементов, в частности радиоактивных, то их ядра отличаются настолько малой прочностью, что они самопроизвольно распадаются на составные части. К примеру, атомы радиоактивного элемента радия, состоящего из совокупности 88 протонов и 138 нейтронов, самопроизвольно распадаются, превращаясь в атомы радиоактивного элемента радона. Атомы же последнего в свою очередь распадаются на составные части, переходя в атомы других элементов.
Ознакомившись вкратце с составными частями ядер атомов химических элементов, рассмотрим строение электронных оболочек атомов. Как известно, электроны могут вращаться вокруг ядер атомов только по строго определенным орбитам. При этом они так сгруппированы в электронной оболочке каждого атома, что можно различить отдельные слои электронов.
В каждом слое может находиться количество электронов, не превышающее строго определенного числа. Так, например, в первом, ближайшем к ядру атома электронном слое может находиться максимум два электрона, во втором - не более восьми электронов и т. д.
Те атомы, у которых внешние электронные слои целиком заполнены, имеют наиболее устойчивую электронную оболочку. Это значит, что данный атом прочно держит все свои электроны и не нуждается в получении извне добавочного количества их. Например, атом гелия имеет два электрона, целиком заполняющих первый электронный слой, а атом неона имеет десять электронов, из которых первые два целиком заполняют первый электронный слой, а остальные - второй (рис. 5).
Рис. 5. Схема строения атома неона
Следовательно, атомы гелия и неона имеют вполне устойчивые электронные оболочки, не стремятся их как-нибудь видоизменить количественно. Такие элементы химически инертны, т. е. не вступают в химическое взаимодействие с другими элементами.
Однако большинство химических элементов имеет такие атомы, в которых внешние электронные слои не целиком заполнены электронами. Например, атом калия имеет девятнадцать электронов, из которых восемнадцать целиком заполняют первые три слоя, а девятнадцатый электрон один находится в следующем, незаполненном электронном слое. Слабое заполнение электронами четвертого электронного слоя приводит к тому, что ядро атома весьма слабо удерживает самый внешний - девятнадцатый электрон, а поэтому последний может быть легко вырван из атома. .
Или, например, атом кислорода имеет восемь электронов, из которых два целиком заполняют первый слой, а остальные шесть размещены во втором слое. Таким образом, для полного завершения построения второго электронного слоя в атоме кислорода ему не хватает только двух электронов. Поэтому атом кислорода не только прочно удерживает свои шесть электронов во втором слое, но и обладает возможностью притянуть к себе два недостающих ему электрона для заполнения своего второго электронного слоя. Этого он достигает путем химического соединения с атомами таких элементов, у которых внешние электроны слабо связаны со своими ядрами.
Химические элементы, атомы которых не имеют целиком заполненных электронами внешних электронных слоев, как правило, химически активны, т. е. охотно вступают в химическое взаимодействие.
Итак, электроны в атомах химических элементов располагаются в строго определенном порядке и всякое изменение их пространственного расположения или количества в электронной оболочке атома приводит к изменению физико-химических свойств последнего.
Равенство числа электронов и протонов в системе атома является причиной того, что суммарный электрический заряд его равен нулю. Если равенство числа электронов и протонов в системе атома нарушается, то атом становится электрически заряженной системой.
Атом, в системе которого нарушено равновесие разноименных электрических зарядов вследствие того, что он потерял часть своих электронов или, наоборот, приобрел лишнее количество их, называется ионом.
Наоборот, если атом приобретает некоторое лишнее количество электронов, то он становится отрицательным ионом. Например, атом хлора, получивший один лишний электрон, превращается в однозарядный отрицательный ион хлора Сl - . Атом кислорода, получивший лишних два электрона, превращается в двухзарядный отрицательный ион кислорода О и т. д.
Атом, превратившийся в ион, становится по отношению к внешней среде электрически заряженной системой. А это значит, что атом стал обладать электрическим полем, вместе с которым он составляет единую материальную систему и через это поле осуществляет электрическое взаимодействие с другими электрически заряженными частицами вещества - ионами, электронами, положительно заряженными ядрами атомов и т. д.
Способность разноименных ионов взаимно притягиваться друг к другу является причиной того, что они химически соединяются, образуя более сложные частицы вещества - молекулы.
В заключение следует отметить, что размеры атома очень велики по сравнению с размерами тех вещественных частиц, из которых они состоят. Ядро самого сложного атома вместе со всеми электронами занимает миллиардную долю объема атома. Простой подсчет показывает, что если бы удалось один кубический метр платины сжать так крепко, чтобы исчезли внутриатомные и междуатомные пространства, то получился бы объем, равный примерно одному кубическому миллиметру.
Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.
Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.
Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.
В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.
Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).
Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.
Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются: 
Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).
Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.
Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.
Что такое нейтрон? Каковы его структура, свойства и функции? Нейтроны - это самые большие из частиц, составляющих атомы, являющиеся строительными блоками всей материи.
Структура атома
Нейтроны находятся в ядре - плотной области атома, также заполненной протонами (положительно заряженными частицами). Эти два элемента удерживаются вместе при помощи силы, называем ядерной. Нейтроны имеют нейтральный заряд. Положительный заряд протона сопоставляется с отрицательным зарядом электрона для создания нейтрального атома. Несмотря на то что нейтроны в ядре не влияют на заряд атома, они все же обладают многими свойствами, которые влияют на атом, включая уровень радиоактивности.
Нейтроны, изотопы и радиоактивность
Частица, которая находится в ядре атома - нейтрон на 0,2% больше протона. Вместе они составляют 99,99% всей массы одного и того же элемента могут иметь различное количество нейтронов. Когда ученые ссылаются на атомную массу, они имеют в виду среднюю атомную массу. Например, углерод обычно имеет 6 нейтронов и 6 протонов с атомной массой 12, но иногда он встречается с атомной массой 13 (6 протонов и 7 нейтронов). Углерод с атомным номером 14 также существует, но встречается редко. Итак, атомная масса для углерода усредняется до 12,011.
Когда атомы имеют различное количество нейтронов, их называют изотопами. Ученые нашли способы добавления этих частиц в ядро для создания больших изотопов. Теперь добавление нейтронов не влияет на заряд атома, так как они не имеют заряда. Однако они увеличивают радиоактивность атома. Это может привести к очень неустойчивым атомам, которые могут разряжать высокие уровни энергии.
Что такое ядро?
В химии ядро является положительно заряженным центром атома, который состоит из протонов и нейтронов. Слово «ядро» происходит от латинского nucleus, которое является формой слова, означающего "орех" или "ядро". Этот термин был придуман в 1844 году Майклом Фарадеем для описания центра атома. Науки, участвующие в исследовании ядра, изучении его состава и характеристик, называются ядерной физикой и ядерной химией.
Протоны и нейтроны удерживаются сильной ядерной силой. Электроны притягиваются к ядру, но двигаются так быстро, что их вращение осуществляется на некотором расстоянии от центра атома. Заряд ядра со знаком плюс исходит от протонов, а что такое нейтрон? Это частица, которая не имеет электрического заряда. Почти весь вес атома содержится в ядре, так как протоны и нейтроны имеют гораздо большую массу, чем электроны. Число протонов в атомном ядре определяет его идентичность как элемента. Число нейтронов означает, какой изотоп элемента является атомом.
Размер атомного ядра
Ядро намного меньше общего диаметра атома, потому что электроны могут быть отдалены от центра. Атом водорода в 145 000 раз больше своего ядра, а атом урана в 23 000 раз больше своего центра. Ядро водорода является наименьшим, потому что оно состоит из одиночного протона.
Расположение протонов и нейтронов в ядре
Протон и нейтроны обычно изображаются как уплотненные вместе и равномерно распределенные по сферам. Однако это упрощение фактической структуры. Каждый нуклон (протон или нейтрон) может занимать определенный уровень энергии и диапазон местоположений. В то время как ядро может быть сферическим, оно может быть также грушевидным, шаровидным или дисковидным.
Ядра протонов и нейтронов представляют собой барионы, состоящие из наименьших называемых кварками. Сила притяжения имеет очень короткий диапазон, поэтому протоны и нейтроны должны быть очень близки друг к другу, чтобы быть связанными. Это сильное притяжение преодолевает естественное отталкивание заряженных протонов.
Протон, нейтрон и электрон
Мощным толчком в развитии такой науки, как ядерная физика, стало открытие нейтрона (1932 год). Благодарить за это следует английского физика который был учеником Резерфорда. Что такое нейтрон? Это нестабильная частица, которая в свободном состоянии всего за 15 минут способна распадаться на протон, электрон и нейтрино, так называемую безмассовую нейтральную частицу.
Частица получила свое название из-за того, что она не имеет электрического заряда, она нейтральна. Нейтроны являются чрезвычайно плотными. В изолированном состоянии один нейтрон будет иметь массу всего 1,67·10 - 27 , а если взять чайную ложку плотно упакованную нейтронами, то получившийся кусок материи будет весить миллионы тонн.
Количество протонов в ядре элемента называется атомным номером. Это число дает каждому элементу свою уникальную идентичность. В атомах некоторых элементов, например углерода, число протонов в ядрах всегда одинаково, но количество нейтронов может различаться. Атом данного элемента с определенным количеством нейтронов в ядре называется изотопом.
Опасны ли одиночные нейтроны?
Что такое нейтрон? Это частица, которая наряду с протоном входит в Однако иногда они могут существовать сами по себе. Когда нейтроны находятся вне ядер атомов, они приобретают потенциально опасные свойства. Когда они двигаются с высокой скоростью, они производят смертельную радиацию. Так называемые нейтронные бомбы, известные своей способностью убивать людей и животных, при этом оказывают минимальное влияние на неживые физические структуры.
Нейтроны являются очень важной частью атома. Высокая плотность этих частиц в сочетании с их скоростью придает им чрезвычайную разрушительную силу и энергию. Как следствие, они могут изменить или даже разорвать на части ядра атомов, которые поражают. Хотя нейтрон имеет чистый нейтральный электрический заряд, он состоит из заряженных компонентов, которые отменяют друг друга относительно заряда.
Нейтрон в атоме - это крошечная частица. Как и протоны, они слишком малы, чтобы увидеть их даже с помощью электронного микроскопа, но они там есть, потому что это единственный способ, объясняющий поведение атомов. Нейтроны очень важны для обеспечения стабильности атома, однако за пределами его атомного центра они не могут существовать долго и распадаются в среднем всего лишь за 885 секунд (около 15 минут).
