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 AZX, 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 Ti/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)