Элементарные частицы строения атома изотопы изобары

Элементарные частицы строения атома изотопы изобары

Отсюда видно, что практически вся масса атома сосредоточена в яд­ре, которое почти в 100 000 раз меньше размера атома.

Ядро атома состоит из протонов р и нейтронов п. Протон элементар­ная частица в составе атомного ядра массой 1,67-10

24 г, имеющая положи­тельный заряд 1,6-10" 19 Кл. Протон был открыт в 1920 г. английским физи­ком Э. Резерфордом.

Нейтрон элементарная частица в составе атомного ядра массой 1,67 10

24 г. Не заряжена. Нейтрон был открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Сумму протонов и нейтронов называют нуклонами.

В состав ядра, кроме протонов и нейтронов, входит множество других микрочастиц, таких как мюоны, нейтрино, т-лептоны, гипероны, ц-мюзоны, 7г-мюзоны, кварки (5 видов), антикварки (5 видов) и др.

Изотопы разновидности атомов, имеющих одинаковые заряды ядер, но разные атомные массы (за счет разного числа нейтронов в ядре), напри-

94 9S "3S37

мер, Mg и Mg, С1и С1.

Самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного хими­ческого элемента в изотоп другого элемента, сопровождающееся испускани­ем элементарных частиц или ядер (ос-частицы), называется радиоактивно­стью.

Изобары это атомы, имеющие одинаковые массовые числа, но раз­личные заряды ядер и разные химические свойства. Например, атомы аргона, калия и кальция — 40 Аг, 40 К, 40 Са.

Квантовые числа. Принцип Паули

Атом квантовая система, т. е. система микрочастиц, поведение кото­рых описывается законами квантовой механики. Согласно этим законам, энергетическое состояние электрона в атоме описывается при помощи четы­рех квантовых чисел:

п— главное квантовое число,

/— орбитальное, или побочное, квантовое число,

т/— магнитное квантовое число,

ms — спиновое квантовое число.

Главное квантовое число п характеризует энергию электрона на кван­товом уровне и удаленность его от ядра. Оно принимает целочисленные зна­чения от единицы до бесконечности:

п= 1, 2, 3, . . . ,оо.

Состояние электрона, характеризующееся определенным значением главного квантового числа, принято называть энергетическим уровнем элек­трона в атоме. Каждый энергетический уровень соответствует номеру перио­да в периодической таблице Д. И. Менделеева:

В Химия. Учеб. пособие

-17-

СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

Атомы, имеющие в ядрах одинаковое число протонов, называются изотопами. Они в таблице Д. И. Менделеева занимают одну клетку. Например, природный кислород имеет три изотопа: О (99,76 %); О (0,04 %); О (0,20 %).

Читайте также:  Цветок выпускает стрелу с красными цветами

Значение заряда ядра служит отличительным признаком для различных видов атомов, что позволяет привести более полное определение понятия элемента: химический элемент – это определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.

Большинство химических элементов имеют атомы с различной массой. Поэтому введено понятие относительной атомной массы Аr (безразмерная величина). Относительной атомной массой Аr химического элемента называется величина, равная отношению средней массы атома естественного изотопического состава к 1/12 массы атома углерода С.

Аr(Н) = = = 1,0079.

Относительная атомная масса Аr – средняя величина массовых чисел его природных изотопов с учетом распространенности:

Аr(Э) = ,

где Ai – относительная атомная масса изотопа; ωi – массовая доля изотопа.

Например, определим атомную массу хлора, если известны атомные массы и распространенности его изотопов Cl (75,43 %) и Cl (24,57 %):

Как химические, так и некоторые физические свойства, зависящие от строения электронной оболочки, у изотопов почти тождественны, т. е. не отличаются по химическим свойствам и в химических реакциях ведут себя одинаково.

Изобары – атомы с одинаковой атомной массой и различными порядковым номером Z и числом нейтронов N: Ar, K, Ca.

Различают еще изотоны – атомы с одинаковым числом нейтронов N, но разными атомными массами и числом протонов Z: Xe (54 p, 82 n), Ba (56 p, 82 n), La (57 p, 82 n).

Также можно отметить еще изомеры – атомы, имеющие одинаковое число протонов и нейтронов, но различную энергию ядер (период полураспада): Ра (невозбужденное состояние; 1/2 = 1,18 мин.); Ра (1/2 = 6,7 часа), где 1/2 – период полураспада (пояснение далее). Уже известно более 200 видов изомерных пар.

Электронные спектры атомов. Теория Бора

Атом, как было уже показано, состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

В химических реакциях ядра атомов практически не изменяются. Поэтому для химии наибольший интерес представляют электроны и их взаимное расположение в атоме, так как от них зависит протекание реакций и образование тех или иных соединений.

Читайте также:  Время плодоношения помидоров в теплице

Атомные спектры. Квантовый характер излучения. Электронные оболочки атомов. Основой для создания теории строения электронной оболочки явились опыты Э. Резерфорда по рассеянию -частиц и атомные спектры.

В 1900 г. Макс Планк, изучая распределение энергии теплового излучения, испускаемого нагретыми телами, установил, что световая энергия поглощается и излучается не непрерывно, а отдельными мельчайшими порциями – квантами. Энергия квантов Е зависит от частоты излучаемого света :

Е = h  (А. Эйнштейн, 1905 г.),

где  = – частота колебаний, с = 2,99810 8 м/с – скорость света; h – постоянная Планка (квант действия), коэффициент пропорциональности между энергией и частотой колебания, h = 6,62610 –34 Джс.

Таким образом, энергия может поглощаться или излучаться порциями h, 2 h, 3 h. n h, но не может — дробными частями: 1,1 h; 1,8 h и т. д. Отсюда линейчатость атомных спектров. Однако теория квантов не давала ответа, вследствие каких причин наблюдаются различные состояния электронов в атомах. Ответ на этот вопрос можно получить, только зная строение и особенности электронной оболочки атома.

Датский физик Нильс Бор в 1913 г. разработал теорию строения атома водорода, используя модель Резерфорда и квантовую теорию излучения Планка. В основу теории Бор положил два постулата.

Первый постулат Бора. Электрон вращается вокруг ядра по стационарным орбитам, находясь на которых, не излучает и не поглощает энергию. Момент количества движения электрона, находящегося на этих орбиталях, имеет значения, кратные величине h/2. При этом центростремительная сила притяжения электрона на n-ой орбите, равная, компенсируется центробежной силой mVr. Так как запас энергии электрона на орбите равен , то решая это выражение вместе с mVr = , можно получить выражение для радиуса стационарной орбиты и скорости движения электрона на ней.

rn = = 0,5310 –10 n 2 = 0,5310 –10 м = 0,53 Å.

Vn = =2,18710 6 м/с,

где h – постоянная Планка; m – масса электрона, равная 9,110 –31 кг; е = 1,610 –19 Кл – заряд электрона; n – номер орбиты.

Для атома водорода радиусы стационарных орбит относятся между собой как квадраты целых чисел – r1 : r2 : r3 : . : rn = 1 2 : 2 2 : 3 2 : . n 2 , а скорости относятся V : V/2 : V/3 : . : Vn/n = 1 : 2 : 3 : . n, т. е. на второй орбите меньше, чем на первой в два раза, на третьей – в три раза и т. д. (рис.1.3). Каждой стационарной орбите отвечает дискретное значение энергии: Е1, Е2, Е3, . , Еn.

Читайте также:  Роза флорибунда персикового цвета

Второй постулат Бора. При переходе с одной орбиты на другую электрон поглощает или выделяет квант энергии, характеризующийся определенной частотой колебаний  = Ед – Еб/h, или

Рис.1.3.Модель строения атома по Бору

Ед–Еб = .

После подстановки соответствующих величин получаем

Ед–Еб = 21,810 –19 ,

где Ед и Еб – энергия электрона на дальней и ближней орбитах (квантовые числа).

Когда электрон находится на первой орбите, он наиболее прочно связан с ядром. Это самое устойчивое состояние электрона (атома) называется нормальным (стационарным) состоянием. Все остальные состояния с большей энергией называются возбужденными. При удалении электрона с первой (ближайшей к ядру) орбиты на бесконечно большое расстояние от ядра, необходимо затратить максимальное количество энергии. Этот процесс называется ионизацией.

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” ( число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.

Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы

являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).

Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода — протий Н, дейтерий D, тритий Т, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам.

Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi и Са.

Изомеры—нуклиды, имеющие одинаковое число протонов и нуклонов и отличающиеся только энергией связи ядра ().

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector