III. Объяснение нового материала (Газообразное состояние веществ).

II. Проверка домашнего задания.

Д/з не задовалось

Атом — мельчайшая частица химического элемента, наимень­шая часть фостых и сложных веществ. Говоря об атоме, мы подчеркивали, что это химически неделимая частица, т. е. не исчезающая и не возникающая при химических реакциях.

В течение многих веков атом считался элементарной, т. е. да­лее неделимой частицей. И только открытия, сделанные физика­ми в XIX в., дали весомые доказательства сложности строения атома. К этим открытиям относятся прежде всего: а) изучение электролиза — процесса переноса электрических зарядов через жидкость; б) открытие катодных лучей — потока отрицательно заряженных частиц, которые впоследствии получили название электроны; в) и наконец, прямым доказательством сложно­сти строения атома явилось обнаружение явления радиоактив­ности, которое представляет собой самопроизвольный распад атомов одних элементов с образованием атомов других эле­ментов.

Ядерная модель строения атома

В начале XX в. на основе исследований многих ученых, и прежде всего английского физика Э. Резерфорда, была уста­новлена принципиальная модель строения атома, получившая название ядерной (планетарной). Согласно этой модели атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся во­круг него электронов. Почти вся масса атома (более 99,96%) сосредоточена в его ядре, диаметр которого приблизительно в 100 000 раз меньше диаметра всего атома (порядка 10~⁸ см).

Интересно знать. Диаметр самого большого атома (атома франция Fr) боль­ше диаметра самого маленького (атома гелия Не) более, чем в 7 раз, а масса самого тяжелого атома (элемента с атомным номером 118) больше массы самого легкого (атома водорода) почти в 300 раз.

Таким образом, атом представляет собой своеобразную электронейтральную микросистему, состоящую из положитель­но заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Состав атомных ядер

Согласно современным представлениям ядра атомов состоят из двух видов частиц: протонов и нейтронов, имеющих общее название нуклоны (от лат. nucleus — ядро).

Протоны и нейтроны имеют практически одинаковую массу, равную примерно 1 и, т. е. одной атомной единице массы (см. § 1). Протон (его символ р) имеет заряд —|— 1, а нейтрон (символ п) электронейтрален.

Заряд электрона (символическое обозначение е~) равен — 1, а масса в 1836 раз меньше массы протона. Отсюда понят­но, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

В таблице 3 приведены основные характеристики элементар­ных частиц, входящих в состав атома.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре особыми силами, которые так и называются ядерные силы. Ядерные силы дейст­вуют только на очень малых расстояниях (порядка 10~¹³ см), но их величина в сотни и тысячи раз превышает силу отталкивания одноименно заряженных протонов. Энергия связи нуклонов в яд­рах атомов в миллион раз превышает энергию химической связи. Поэтому при химических реакциях ядра атомов не разрушаются, а происходит лишь перегруппировка атомов.

Число протонов (Z) в ядре атома носит название протонного числа. Оно равно атомному номеру элемента и определяет его место в периодической системе. Поэтому атомный номер эле­мента часто называют порядковым номером.

Заряд ядра определяется числом протонов, и поскольку атом в целом электронейтрален, то очевидно, что число протонов в его ядре равно числу электронов.

Общее число протонов (Z) и нейтронов (N) называется массо­вым (или нуклонным) числом (А):

A = Z + N.

Массовое число практически определяет массу атома в атом­ных единицах, так как масса электронов составляет ничтожную часть общей массы атома.

Заряд ядра атома (протонное число) и его массовое число указывают числовыми индексами слева от символа химического элемента ^A_ZX, например: ^l*N, j^Cr, ²^U.

А том с определенным значением атомного номера (протон­ного числа) и массового числа (нуклонного числа) назы­вается нуклидом.

Для обозначения нуклида используют название элемента или его символ, где указывают массовое (нуклонное) число: угле-род-12, или ¹²С; кислород-17, или ^|7О; хлор-35, или ^Cl.

Изотопы

Большинство элементов состоит из нескольких нуклидов, которые отличаются друг от друга своими массовыми числами. Это объясняется тем, что в их ядрах при одном и том же числе протонов может находиться разное число нейтронов. Так, при­родный кислород (Z = 8), кроме атомов, в ядрах которых нахо­дится 8 нейтронов — ^|6О, имеет нуклиды с числом нейтронов 9 и 10—^|7О и ¹⁸О. Такие нуклиды являются изотопами (от греч. «изос» — равный, «топос» — место, т. е. «занимающие одно место»).

Изотопы — нуклиды, имеющие одинаковый атомный номер, но различные массовые числа.

Другими словами, изотопы — это нуклиды одного и того же элемента. Поэтому термин «изотопы» следует употреблять толь­ко во множественном числе. Изотопы любого элемента действи­тельно занимают одно место в периодической системе, так как принадлежат одному и тому же элементу. Следовательно, и хи­мические свойства изотопов данного элемента также будут практически одинаковы.

Теперь мы можем дать более точное определение химического элемента.

Химический элемент — это совокупность всех изотопов, име­ющих одинаковый атомный номер (т. е. одинаковый заряд ядра).

Названия и символы изотопов совпадают с названиями и символами соответствующих элементов. Только изотопы водо­рода имеют собственные названия и символы: протий — JH; дейтерий — D, или ²Н; тритий — Т, или?Н.

Большинство химических элементов в природе существуют в виде смеси нуклидов, каждый из которых характеризуется своим собственным значением массового числа. Поэтому относи­тельная атомная масса данного элемента является средней величиной относительных атомных масс его нуклидов с учетом их массовой доли в природной смеси. Это объясняет тот факт, почему относительные атомные массы большинства элементов не являются целочисленными величинами.

Явление радиоактивности

Все нуклиды делятся на два типа: стабильные и радиоактив­ные. Стабильные нуклиды могут существовать без изменения состава ядер неограниченно долго. Поэтому большинство при­родных нуклидов, входящих в состав окружающих нас веществ, стабильны.

Устойчивому состоянию ядер атомов соответствуют опреде­ленные соотношения чисел протонов и нейтронов: для легких элементов (с атомными номерами от 1 до 20) — Z/W«l, для тяжелых — около 0,6. При нарушении протонно-нейтронного со­отношения ядро (а вместе с ним и атом) становится неустойчи­вым (радиоактивным). Оно самопроизвольно распадается, пре­вращаясь при этом в ядра атомов других элементов.

Радиоактивностью называется самопроизвольное превраще­ние неустойчивых атомных ядер в другие ядра, сопровож­дающееся испусканием различных частиц.

В данном случае 0-частица является фактически электроном, образовавшимся в ядре атома при превращении нейтрона в протон:

Радиоактивный распад часто сопровождается испусканием у-лучей, потока квантов жесткого электромагнитного излучения, не имеющего заряда.

а-, {$- и у-лучи сильно различаются по энергии и, следова­тельно, по проникающей способности (рис. 7).

Уравнения реакций радиоактивного распада должны удов­летворять правило равенства сумм индексов:

а) сумма массовых чисел частиц, вступающих в реакцию,
равна сумме массовых чисел частиц—продуктов реакции;

б) суммы зарядов частиц, вступающих в реакцию, и час­
тиц — продуктов реакции равны между собой.

Продолжительность жизни радионуклида характеризуется периодом полураспада T_i/2 — временем, за которое число ядер уменьшается в результате распада вдвое. Для разных радионук­лидов оно колеблется от долей секунды до миллиардов лет. Так, для ²⁸А1 период полураспада равен 2,2 мин, для ¹³¹1 — 8 суток, для ¹³⁷Cs — 30,17 года, а для ²³⁸U — почти 4,5 млрд лет.

После открытия явления радиоактивности стало возможным превращение однил химических элементов в другие, синтез ядер элементов, которые не существуют на Земле. Так были получены элементы, находящиеся в периодической системе после ура­на U. Конечно, такие процессы, хотя и называются ядерными реакциями, не являются химическими реакциями, при которых атомы не исчезают и не возникают вновь.

Изучение радиоактивности привело к созданию ядерной энер­гетики и, к сожалению, ядерного оружия. Радиоактивность ши­роко применяется в науке, медицине, промышленности и сель­ском хозяйстве. Вместе с тем перед человечеством возник целый ряд проблем, связанных с вредным воздействием радиации на живые организмы. Поэтому использование ядерных процессов и радиоактивных веществ должно осуществляться в строго контролируемых условиях с соблюдением строжайших мер без­опасности.

V. Домашнее задание.

Строение атома (§7)