Ядерная модель атома
| English | Русский |
|---|---|
| nucleus/ˈnjuːklɪəs/ | ядро |
| protons/ˈprəʊtɒnz/ | протонов |
| neutrons/ˈnjuːtrɒnz/ | нейтронов |
| nuclide/ˈnjuːklaɪd/ | нуклид |
| proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ | порядковый номер (заряд ядра) |
| nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ | нуклонное число |
| nucleons/ˈnjuːklɪənz/ | нуклонами |
| isotopes/ˈaɪsətəʊps/ | изотопы |
| atomic mass unit/əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/ | атомная единица массы |
Выстрелы по золотой фольге
- Команда Резерфорда облучала тонкую золотую фольгу α-частицами.
- Большинство пролетали сквозь нее насквозь, но редкие частицы отскакивали почти обратно.
- «Как будто вы стреляете ядром в тонкую бумагу, а оно отскакивает к вам.»
Лабораторная работа: доказательства ядерной модели атома
Сопоставьте наблюдения с ядерной моделью атома.
Что показало рассеяние
- Большинство проходят сквозь → атом состоит преимущественно из пустого пространства.
- Редкое сильное отклонение → заряд и массу удерживает крошечное, плотное, положительное ядро.
Большинство альфа-частиц проходят почти прямо; несколько резко отклоняются под действием крошечного ядра
Большинство α-частиц, прошедших прямо сквозь золотую фольгу, указывают на то, что атом является:
Если большинство проходят прямо, препятствий мало — атом состоит преимущественно из пустого пространства, а масса и заряд сосредоточены в крошечном ядре.
Ядерная модель
- Ядро: протоны (заряд $+e$) и нейтроны (нет заряда). Электроны ($-e$) окружают его.
- Атом является $\sim 10^{-10}\ \text{m}$; ядро занимает лишь $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — но содержит почти всю массу.
- Нейтральный атом имеет столько же электронов, сколько протонов.
Простые модели атома гелия и атома лития (не в масштабе)
Почти вся масса атома находится в его ядре.
Протоны и нейтроны весят ~1 ед. каждый; электроны — ~1/1836 ед., поэтому ядро содержит почти всю массу.
Обозначения
- Нуклид обозначается как $^{A}_{Z}\text{X}$: $Z$ = протонное число (определяет элемент), $A$ = нуклонное число.
- Число нейтронов $N = A - Z$. Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами.
Протоны и нейтроны вместе называются ____.
Нуклонное число $A$ равно сумме протонов и нейтронов в ядре.
Сколько нейтронов содержится в $^{14}_{6}\text{C}$?
$N = A - Z = 14 - 6 = 8$ нейтронов.
Изотопы
- Изотопы имеют одинаковое протонное число $Z$, но различное число нейтронов.
- Пример: $^{12}_{6}\text{C}$ и $^{14}_{6}\text{C}$ — один элемент, разная масса.
Обозначение нуклида: нуклонное число сверху, протонное число снизу
Изотопы одного элемента имеют:
Одинаковое $Z$ (поэтому тот же элемент и химические свойства), но разное $N$, что дает иное массовое число $A$.
Что сохраняется
- В любом ядерном процессе сохраняются нуклонное число $A$ и заряд.
- Эти два правила позволяют балансировать каждое уравнение распада: верхние числа должны быть одинаковы с обеих сторон, так же как и нижние.
В ядерном процессе какие величины всегда сохраняются?
Сохраняются нуклонное число и заряд. Числа протонов и нейтронов могут меняться (например, при β-распаде нейтрон превращается в протон).
Сопоставьте каждую испускаемую частицу с её обозначением в уравнении распада.
Верхнее число — нуклонное, нижнее — заряд; оба должны быть сбалансированы по обе стороны уравнения.
Разобранный пример: тритий
Тритий, $^{3}_{1}\text{H}$, — радиоактивный изотоп водорода, испускающий β$^{-}$-частицу.
- Частицы в нейтральном атоме: $Z = 1$ протон; $N = 3 - 1 = 2$ нейтронов; $1$ электрон (равен числу протонов).
- Уравнение распада: $^{3}_{1}\text{H} \to {}^{3}_{2}\text{He} + {}^{0}_{-1}\beta + \bar{\nu}$. Проверка: верхнее $3 = 3 + 0$; нижнее $1 = 2 + (-1)$. Дополнительная частица — антинейтрино.
- Кварки в ядре: протон состоит из uud, нейтрон — из udd, значит один протон и два нейтрона содержат $2 + 1 + 1 = 4$ верхних кварков и $1 + 2 + 2 = 5$ нижних кварков.
- Проверка заряда: $4\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 5\left(-\tfrac{1}{3}\right) = \tfrac{8}{3} - \tfrac{5}{3} = +1$, заряд единственного протона.
Разобранный пример: цепочка распадов
Ядро радия-228, $^{228}_{88}\text{Ra}$, распадается через серию стадий, на которых испускаются пять α-частиц и четыре β$^{-}$-частицы. Определите конечное ядро.
- Нуклонное число: каждая α-частица уменьшает его на $4$, каждая β$^{-}$-частица не меняет: $A = 228 - 5 \times 4 = 208$.
- Протонное число: каждая α-частица уменьшает его на $2$, каждая β$^{-}$-частица увеличивает на $1$: $Z = 88 - 10 + 4 = 82$.
- Ответ: $^{208}_{82}\text{Pb}$ — свинец.
- Проверка: порядок распадов не имеет значения; важны только итоговые суммы. Заряд и нуклонное число сохраняются на каждом отдельном шаге, следовательно, сохраняются и в целом.
Ядро с протонным числом $92$ испускает три α-частицы и две β⁻-частицы. Каково протонное число конечного ядра?
Каждая α-частица уменьшает $Z$ на $2$, а каждая β⁻-частица увеличивает его на $1$: $92 - 6 + 2 = 88$.
Нейтральный атом имеет $Z$ электронов — количество протонов, никогда не $A$. Изотопы различаются только нейтронами, поэтому их химические свойства идентичны. При балансировке уравнения распада учитывайте обе строки: β$^{-}$-частица записывается как $^{0}_{-1}\beta$, поэтому она не изменяет $A$ и увеличивает $Z$ на единицу. Фраза «ядро очень маленькое» означает примерно $10^{-15}\ \text{m}$ — в сто тысяч раз меньше атома, а не в десять.
Атомная единица массы
- Единица $\text{u}$ определена так, что $^{12}_{6}\text{C}$ имеет массу ровно $12\ \text{u}$.
- $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$; протон и нейтрон весят каждый около $1\ \text{u}$, α-частица — около $4\ \text{u}$ с зарядом $+2e$.
Единица атомной массы определена так, что углерод-12 имеет массу ровно 12 u.
Да — это определение фиксирует $1\ \text{u} = 1.66 \times 10^{-27}\ \text{kg}$.
Вы поняли
- α-рассеяние → атом преимущественно пуст с крошечным плотным ядром
- $^{A}_{Z}\text{X}$: $Z$ протонов, $A$ нуклонов, $N = A - Z$ нейтронов, $Z$ электронов в нейтральном состоянии; изотопы разделяет $Z$
- ядерные процессы сохраняют нуклонное число и заряд — балансируйте обе строки каждого уравнения