Будова атома і атомного ядра , сторінка 3

13.10.2015

Реферат на тему Будова атома і атомного ядра
5. Склад атомних ядер

Таким чином, відкриття Резерфорда поклали початок ядерної теорії атома. З часів Резерфорда фізики дізналися ще дуже багато подробиць про будову атомного ядра.

найлегшим атомом є атом водню (Н). Оскільки майже вся маса атома зосереджена в ядрі, природно було б припустити, що ядро атома водню являє собою елементарну частинку позитивного електрики, яка була названа протоном від грецького слова «протос», що означає «перший». Таким чином, протон має масу, практично дорівнює масі атома водню (точно 1,00728 вуглецевих одиниць) і електричним зарядом, рівним +1 (якщо за одиницю негативного електрики прийняти заряд електрона, рівний -1,602*10 Кл). Атоми інших, більш важких елементів містять ядра, що володіють великим зарядом і, очевидно, більшою масою.

Вимірювання заряду ядер атомів показали, що заряд ядра атома в зазначених умовних одиницях чисельно дорівнює атомному, або порядковому, номеру елемента. Однак неможливо було допустити, оскільки останні, будучи однойменно зарядженими, неминуче відштовхувалися б один від одного і, отже, такі ядра виявилися нестійкими. До того ж маса атомних ядер виявилася більше сумарної маси протонів, які обумовлюють заряд ядер атомів відповідних елементів, у два рази і більше.

Тоді було зроблено припущення, що ядра атомів містять протони в числі, що перевищує атомний номер елемента, а створюваний таким чином надлишковий позитивний заряд ядра компенсується входять до складу ядра електронами. Ці електрони, очевидно, повинні утримувати в ядрі взаємно відштовхуються протони. Однак це припущення довелося відкинути, так як неможливо було допустити спільне існування в компактному ядрі важких (протонів) і легких (електронів) частинок.

У 1932 р. Дж. Чедвік відкрив елементарну частинку, яка не володіє електричним зарядом, у зв’язку з чим вона була названа нейтроном (від латинського слова neuter, що означає «ні той, ні інший»). Нейтрон має масу, трохи перевищує масу протона (точно 1,008665 вуглецевих одиниць). Слідом за цим відкриттям Д. Д. Іваненко, Е. Н. Гапон і Ст. Гейзенберг, незалежно один від одного запропонували теорію складу атомних ядер, яка стала загальноприйнятою.

Відповідно до цієї теорії, ядра атомів усіх елементів (за винятком водню) складаються з протонів і нейтронів. Число протонів в ядрі визначає значення його позитивного заряду, а сумарне число протонів і нейтронів — значення його маси. Ядерні частинки — протони і нейтрони — об’єднуються під загальною назвою нуклони (від латинського слова nucleus, що означає «ядро»). Таким чином, число протонів в ядрі відповідає атомному номеру елемента, а загальне число нуклонів, оскільки маса атома в основному зосереджена в ядрі, — його масовому числу, тобто округленої до цілого числа його атомній масі А. Тоді число нейтронів а ядрі N може бути знайдено по різниці між масовим числом і атомним номером:

N = A — Z

Таким чином, протонно-нейтронна теорія дозволила вирішити виниклі раніше протиріччя в уявленнях про склад атомних ядер і про його зв’язки з порядковим номером і атомною масою.

6. Ізотопи

Протонно-нейтронна теорія дозволила вирішити і ще одне протиріччя, яке виникло при формуванні теорії атома. Якщо визнати, що ядра атомів елементів складаються з певного числа нуклонів, то атомні маси всіх елементів повинні виражатися цілими числами. Для багатьох елементів це дійсно так, а незначні відхилення від цілих чисел можна пояснити недостатньою точністю вимірювання. Однак у деяких елементів значення атомних мас так сильно відхилялися від цілих чисел, що це вже не можна пояснити неточністю вимірювання та іншими випадковими причинами. Наприклад, атомна маса хлору ( CL) дорівнює 35,45. Встановлено, що приблизно три чверті існуючих в природі атомів хлору мають масу 35, а одна чверть — 37. Таким чином, існуючі в природі елементи складаються із суміші атомів, що мають різні маси, але, очевидно, однакові хімічні властивості, тобто існують різновиди атомів одного елемента з різними і притому цілочисельними масами. Ф. Астону вдалося розділити такі суміші на складові частини, які були названі ізотопами (від грецьких слів «изос» і «топос», що означає «однаковий» і «місце» (тут мається на увазі, що різні ізотопи одного елемента займають одне місце в періодичній системі)). З точки зору протонно-нейтронної теорії, ізотопами називаються різновиди елементів, ядра атомів яких містять різне число нейтронів, але однакове число протонів. Хімічна природа елемента обумовлена числом протонів в атомному ядрі, яким одно і число електронів в оболонці атома. Зміна ж числа нейтронів (при незмінному числі протонів) не позначається на хімічні властивості атома.

Все це дає можливість сформулювати поняття хімічного елемента як виду атомів, що характеризуються певним зарядом ядра. Серед ізотопів різних елементів були знайдені такі, які містять в ядрі при різному числі протонів однакова загальне число нуклонів, тобто атоми яких мають однаковою масою. Такі ізотопи були названі изобарами (від грецького слова «барос», що означає «вагу»). Різна хімічна природа изобаров переконливо підтверджує те, що природа елемента обумовлюється не його масою атома.

Для різних ізотопів застосовуються назви і символи елементів із зазначенням масового числа, яке слід за назвою елемента позначається у вигляді індексу вгорі ліворуч від символу, наприклад. хлор — 35 або Cl.

Різні ізотопи відрізняються один від одного стійкістю. 26 елементів мають лише по одному сталому изотопу — такі елементи називаються моноизотопными (вони характеризуються переважно непарними атомними номерами) і атомні маси їх приблизно дорівнюють цілим числам. У 55 елементів є по кілька стійких ізотопів — вони називаються полиизотопными (велике число ізотопів характерно переважно для елементів з парними номерами). У решти елементів відомі тільки нестійкі, радіоактивні ізотопи. Це всі важкі елементи, починаючи з елемента №84 (полоній), а з відносно легких — №43 (технецій) і №61 (прометий). Однак радіоактивні ізотопи деяких елементів відносно стійкі (характеризуються великим періодом напіврозпаду), і тому ці елементи, наприклад торій, уран, зустрічаються в природі. У більшості ж радіоактивні ізотопи одержують штучно, в тому числі і численні радіоактивні ізотопи стійких елементів.

7. Електронні оболонки атомів. Теорія Бора.

По теорії Резерфорда, кожен електрон обертається навколо ядра, причому сила притягання ядра врівноважується відцентровою силою, що виникає при обертанні електрона. Обертання електрона зовсім аналогічно його швидким коливанням і повинне викликати випущення електромагнітних хвиль. Тому можна припустити, що обертається електрон випромінює світло певної довжини хвилі, що залежить від частоти обертання електрона по орбіті. Але, випромінюючи світло, електрон втрачає частину своєї енергії, в наслідок чого порушується рівновага між ним і ядром. Для відновлення рівноваги електрон повинний поступово пересуватися ближче до ядра, причому так само поступово буде змінюватися частота обертання електрона і характер випромінюваного ним світла. Зрештою, вичерпавши всю енергію, електрон повинен «впасти» на ядро, і випромінювання світла припиниться. Якби насправді відбувалося подібне безперервна зміна руху електрона, його «падіння» на ядро означало б руйнування атома і припинення його існування.

Таким чином, наочна і проста ядерна модель атома, запропонована Резерфордом, явно суперечила класичної електродинаміки. Система обертаються навколо ядра електронів не може бути стійкою, так як електрон при такому обертанні повинен безупинно випромінювати енергію, що, в свою чергу, має призвести до його падіння на ядро і до руйнування атома. Між тим атоми є стійкими системами.

Ці істотні протиріччя частково дозволив видатний датський фізик Нільс Бор (1885 — 1962), розробив у 1913 році теорію водневого атома, в основу якої він поклав особливі постулати, зв’язавши їх, з одного боку, з законами класичної механіки, з іншого боку, з квантової теорії випромінювання енергії німецького фізика Макса Планка(1858 — 1947).

Сутність теорії квантів зводиться до того, що енергія випускається і поглинається не безупинно, як приймалося раніш, а окремими малими, але цілком визначеними порціями — квантами енергії. Запас енергії випромінюючого тіла змінюється стрибками, квант за квантом; дробове число квантів тіло не може ні випускати, ні поглинати.

Величина кванта енергії залежить від частоти випромінювання: чим більше частота випромінювання, тим більше величина кванта. Позначаючи квант енергії через Е, запишемо рівняння Планка:

Е = h _

де h — постійна величина, так звана константа Планка, рівна 6,626*10 Дж*с. а — частота хвилі Деброиля.

Кванти променистої енергії називаються також фотонами. Застосувавши квантові уявлення до обертання електронів навколо ядра, Бор поклав в основу своєї теорії дуже сміливі припущення, або постулати. Хоча ці постулати і суперечать законам класичної електродинаміки, але вони знаходять своє виправдання в тих разючих результатах, до яких приводять, і в тій цілковитій згоді, що проявляється між теоретичними результатами і величезним числом експериментальних фактів. Постулати Бора полягають у наступному:

Електрон може рухатися навколо не по будь-яких орбітах, а тільки по таких, котрі задовольняють певним умовам, що випливають з теорії квантів. Ці орбіти одержали назву стійких стаціонарних чи квантових орбіт. Коли електрон рухається по одній з можливих для нього стійких орбіт, то він не випромінює електромагнітної енергії. Перехід електрона з вилученої орбіти на більш близьку супроводжується втратою енергії. Загублена атомом при кожнім переході енергія перетворюється в один квант променистої енергії. Частота випромінюваного при цьому світла визначається радіусами тих двох орбіт, між якими відбувається перехід електрона. Позначивши запас енергії атома при положенні електрона на більш віддаленої від ядра орбіти через Е í. а на більш близькій через Е ê і розділивши втрачену атомом енергію Е í — Е ê на постійну Планка, отримаємо шукану частоту:

= (Е í — Е ê ) / h

Чим більше відстань від орбіти, на якій знаходиться електрон, до тієї, на яку він переходить, тим більше частота випромінювання. Найпростішим з атомів є атом водню; навколо ядра якого обертається тільки один електрон. Виходячи з приведених постулатів, Бор розрахував радіуси можливих орбіт для цього електрона і знайшов, що вони відносяться, як квадрати натуральних чисел: 1. 2. 3. n. Величина n одержала назву головного квантового числа.

надалі теорія Бора була поширена і на атомну структуру інших елементів, хоча це було пов’язано з деякими труднощами через її новизни. Вона дозволила розв’язати дуже важливе питання про розташування електронів в атомах різних елементів і установити залежність властивостей елементів від будови електронних оболонок їхніх атомів. В даний час розроблені схеми будови атомів усіх хімічних елементів. Однак треба мати на увазі, що всі ці схеми — це лише більш-менш достовірна гіпотеза, що дозволяє пояснити багато фізичних і хімічних властивостей елементів.

Як вже було сказано раніше, число електронів, що обертаються навколо ядра атома, відповідає порядковому номеру елемента в періодичній системі. Електрони розташовані по шарах, тобто кожному шару належить визначене заповнює або як би насыщающее його число електронів. Електрони того самого шару характеризуються майже однаковим запасом енергії, тобто знаходяться приблизно на однаковому енергетичному рівні. Вся оболонка атома розпадається на кілька енергетичних рівнів. Електрони кожного наступного шару знаходяться на більш високому енергетичному рівні, чим електрони попереднього шару. Найбільше число електронів N, що мають можливість знаходитися на даному енергетичному рівні, дорівнює подвоєному квадрату номера шару:

N=2n

де n — номер шару. Таким чином на 1-2, на 2-8, на 3-18 і т. д. Крім того, установлено, що число електронів у зовнішньому шарі для всіх елементів, крім паладію, не перевищує восьми, а в передостанньому — вісімнадцяти.

Електрони зовнішнього шару, як найбільш віддалені від ядра і, отже, найменш міцно зв’язані з ядром, можуть відриватися від атома і приєднуватися до інших атомів, входячи до складу зовнішнього шару останніх. Атоми, які втратили одного або декількох електронів, стають позитивно зарядженими, так як заряд ядра атома перевищує суму зарядів решти електронів. Навпаки, атоми, що приєднали електрони стають негативно зарядженими. Утворені таким шляхом заряджені частки, якісно відмінні від відповідних атомів називаються іонами. Багато іонів у свою чергу можуть втрачати чи приєднувати електрони, перетворюючи при цьому чи в електронейтральні атоми, чи в нові іони з іншим зарядом.

8. Квантова (хвильова) механіка. Характеристика поведінки електронів в атомах.

Теорія Бора зробила величезні послуги фізики і хімії. Однак залишалося ще багато явищ у цій області, пояснити які теорія Бора не могла. Рух електронів в атомах малювалося Бору до певної міри як просте механічне переміщення, між тим як воно є досить складним і своєрідним.

Своєрідність руху електронів було розкрито новою теорією — квантової, чи хвильовий, механікою. Квантова механіка показує, що закони руху електронів мають багато спільного з законами поширення хвиль. Для електрона з масою m і швидкістю v можна записати:

= h / (m*v)

де — довжина хвилі Деброиля, h — постійна Планка.

Атоми різних елементів характеризуються певним значенням заряду ядра і рівним йому числом електронів, які розподіляються по енергетичних рівнях. Поведінку електронів в атомі характеризується чотирма квантовими числами:

1) Головне квантове число n визначає рівень енергії, якій відповідає дана орбіта, і її віддаленість від ядра. Число може приймати значення ряду натуральних чисел (у реальних атомах від одного до семи). Ці числа відповідають електронним верствам атома або його енергетичним рівням, які позначаються великими літерами латинського алфавіту:

Короткий опис статті: будову атомного ядра Тема: Будова атома і атомного ядра. Тип: Реферат. У роботі є: малюнки 1 шт. Мова: російська. Розмістив (ла): Твиттер. сторінка: 3. Розмір: 21 кб. Категорія: Хімія. Короткий опис: ‘Московський державний ІНСТИТУТ. Міжнародних відносин (УНІВЕРСИТЕТ). Мзс РФ. РЕФЕРАТ. Будова атома і атомного ЯДРА. студента 12-ий ак групи 2-ого курсу фак-ту мі Козловського А. А Науковий керівник проф.’ Реферат Будова атома і атомного ядра Хімія

Джерело: Будова атома і атомного ядра — сторінка 3

Також ви можете прочитати