Общая химия (стр. 9 )

  Размер всего атома около10-8 см, ядра — порядка 10-13 см, т. е. по размеру ядро примерно в 100000 раз меньше атома. Поэтому большинство ?-частиц пролетает через атомы металлической пластинки на сравнительно больших расстояниях от их ядер и не отклоняется от своего пути. Однако часть ?-частиц проходит близко от ядра, в результате возникают кулоновские силы отталкивания и частицы отклоняются. Те частицы, которые приближаются на достаточно малые расстояния к ядру, отклоняются еще более резко под действием тех же сил (см. рис. 2.1).

  Ядерная модель атома сохранилась и в современных представлениях.

  Поскольку атом в целом электроне игрален, то суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра. Дальнейшие исследования показали, что положительный заряд ядра атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе элементов .

  Таким образом, число положительных зарядов ядра каждого атома, а также число вращающихся в поле ядра электронов равны порядковому номеру элемента.

  Наиболее проста схема строения атома водорода (порядковый номер равен 1). Его ядро имеет один элементарный положительный заряд, и в поле ядра вращается один электрон.

  Ядро атома водорода — элементарная частица, которую называют протоном.

  Порядковый номер атома титана равен 22. Значит, его положительный заряд равен 22 и в поле ядра вращаются 22 электрона. У 107-го элемента с положительным зарядом ядра, равным 107, в поле ядра вращается 107 электронов. Аналогично можно представить строение атомов и других элементов.

§ 2.4. Состав атомных ядер. Ядерные реакции

  В настоящее время в ядре атома открыто большое число элементарных частиц. Важнейшими из них являются протоны (символ р) и нейтроны (символ п). Обе эти частицы рассматриваются как два различных состояния ядерной частицы нуклона. Элементарные частицы характеризуются определенной массой и зарядом. Протон обладает массой 1,0073 а. е.м. и зарядом +1. Масса нейтрона равна 1,0087 а. е.м., а его заряд — нулю (частица электрически нейтральна). Можно сказать, что массы протона и нейтрона почти одинаковы.

  Вскоре после открытия нейтрона и Е. Н. Та­лон создали протонно-нейтронную теорию строения ядра (1932). Согласно этой теории ядра всех атомов, кроме ядра атома водорода, состоят из Z npотонов и (А — Z) нейтронов, где Z— порядковый номер элемента, А — массовое число.

  Массовое число А указывает суммарное число протонов Z и нейтронов N b ядре атома, т. е.

A = Z+N.  (2.1)

  Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными. Это чрезвычайно большие силы, действующие на очень коротких расстояниях (порядка 10-15 м) и превосходящие силы отталкивания. Природу этих сил изучает ядерная физика. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Так, например, для атома хлора на долю электронов приходится 1/1837 ? 17 = 0,009 (около 0,03% массы атома хлора). Массой электронов по сравне­нию с массой ядра можно практически пренебречь. Свойства ядра определяются главным образом числом протонов и нейтронов, т. е. составом ядра. Например, в ядре атома кислорода содержится 8 протонов и 16 — 8 = 8 нейтронов, что кратко записывается так: (8р, 8n); в ядре атома резерфордия  104 протона и 260 — 104 = 156 нейтронов, краткая запись состава ядра: (104p, 156n) и т. д.

  Исследования показали, что в природе существуют атомы одного и того же элемента с разной массой. Так, встречаются атомы хлора с массой 35 и 37. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.

Разновидности атомов одного элемента, обладающие одинаковыми зарядами ядер, но разными массовыми числами, называются изотопами.

  Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: массовым числом (проставляется вверху слева от химического знака) и порядковым  номером (проставляется внизу слева от химического знака) и обозначается символом соответствующего элемента. Например, изотоп углерода с массовым числом 12 записывается так: , или 12С, или словами: «углерод-12». Изотопы известны для всех химических элементов.

Атомная масса элемента равна среднему значению из масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

Так, например, природный хлор состоит из 75,4% изотопа с массовым числом 35 и из 24,6% изотопа с массовым числом 37; средняя атомная масса хлора 35,453.  Атомные массы элементов, приводимые в периодической системе , есть средние массовые числа природных смесей изотопов. Это одна из причин, почему они отличаются от целочисленных значений.

  Итак, состав ядер атомов различных химических элементов не одинаков, а потому элементы отличаются по атомной массе. И поскольку в состав ядра входят протоны, ядро заряжено положительно. Так как заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента 2, то он определяет число электронов в электронной оболочке атома и ее строение, а тем самым и свойства химического элемента. Поэтому положительный заряд ядра, а не атомная масса является главной характеристикой атома, а значит, и элемента. На этой основе дано более точное определение химического эле­мента, понятие о котором является в химии основным (см. § 1.2).

  Ядерные реакции — это превращение атомных ядер в результате их взаимодействия с элементарными частицами и друг с другом. Написание уравнений таких реакций основано на законах сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения. Например:

  Это уравнение показывает, что при взаимодействии атома алюминия с ?-частицей образуется атом кремния и протон. Радиоактивный распад радия с образованием радона и гелия следует записать так:

  Впервые искусственно ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. бомбардировкой ядер атомов азота ?-частицами:

  В результате ядерной реакции произошло превращение азота в кислород с выделением протона.

  После создания циклотрона (1930) открыто и исследовано большое число всевозможных ядерных реакций.

  Более употребительна краткая запись ядерных реакций. Вна­чале записывают химический знак исходного ядра, затем (в скобках) кратко обозначают частицу, вызвавшую реакцию, и частицу, образовавшуюся в результате реакции, после чего ставят химический знак конечного ядра. При этом у символов исходного и колечного ядер обычно проставляются только массовые числа, так как заряды ядер легко определять по периодической системе эле­ментов . Сокращенная запись рассмотренных ранее ядерных реакций следующая:

где а — обозначение ?-частицы, р — протона (Н); прочерк означает отсутствие действующей частицы в случае радиоактивного распада.

  С помощью ядерных реакций получают изотопы, обладающие радиоактивностью (радиоактивные изотопы). Все они неустойчивы и в результате радиоактивного распада превращаются в изото­пы других элементов.

  Радиоактивные изотопы получены для всех химических эле­ментов. Их известно около 1500. Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными. Это элементы с Z= 43, 61 и 84—107.

  Стабильных (нерадиоактивных) изотопов известно около 300. Из них состоит большинство химических элементов периодической системы элементов . У некоторых элементов наряду со стабильными имеются и долгоживущие радиоактивные изотопы.

  По химическим свойствам радиоактивные изотопы почти не отличаются от стабильных. Поэтому они служат в качестве «меченых» атомов, позволяющих по измерению их радиоактивности следить за поведением всех атомов данного элемента и за их передвижением. Радиоактивные изотопы широко применяются в научных исследованиях, в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биологии и химии. В настоящее время их получают в больших количествах.

  Важнейшей особенностью ядерных реакций является выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или в форме энергии излучения. В химических реакциях энергия выделяется главным образом в форме теплоты. Энергия ядерных реакций превышает энергию химических реакций в миллионы раз. Этим объясняется неразрушимость ядер атомов при протекании химических реакций.

  Ядерные реакции широко используются для синтеза трансурановых элементов. Работы в этой области проводятся в Объединенном институте ядерных исследований в г. Дубне. Там впервые были синтезированы элементы с порядковыми номерами 102, 103, 104, 105, 106, 107. Ведутся работы по синтезу элементов с более тяжелыми ядрами.

§ 2.5. Современная модель состояния электрона в атоме

При химических реакциях ядро атома не претерпевает изменений. Изменению подвергаются электронные оболочки атомов, строением которых объясняются многие свойства химических

элементов. Поэтому состоянию электронов в атоме и структуре электронных оболочек всегда уделяется большое внимание при изучении химии.

Состояние электрона в атоме описывается квантовой механикой, которая изучает движение и взаимодействие микрочастиц, т. е. элементарных частиц, атомов, молекул и атомных ядер. По представлениям квантовой механики, микрочастицы имеют волнавую природу, а волны обладают своиствами частиц. Применительно к электрону можно сказать, что он ведет себя и как частица, и как волна, т. е. обладает, как и другие микрочастицы, корпускулярно-волновым дуализмом (двойственностью). С одной стороны, электроны как частицы производят давление, с другой — движущийся поток электронов обнаруживает волновые явления, например дифракцию электронов.