Что такое нейтрон в химии 8 класс

Урок 13 Бесплатно Строение атома

Состав атома

В ходе изучения химии вы уже познакомились со многими веществами и их свойствами. В нескольких уроках вам встречалось строение атома. Настало время познакомиться с ним более подробно.

Это нужно для того, чтобы лучше понимать понятия «валентность» и «степень окисления», уметь составлять формулы химических соединений и понимать формулы веществ, изображаенных схемами.

Здесь вы видите, из чего устроены молекулы веществ:

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Эра современных представлений о строении атома началась в 1896 году, когда французский ученый Анри Беккерель открыл явление радиоактивности.

Анри Беккерель – представитель династии ученых-физиков.

Радиоактивность он открыл случайно. Ученый завернул в непрозрачный материал сульфат калия-уранила (вещество, содержащее уран) и положил его вместе с фотопластинками, а впоследствии обнаружил на пластинках засветку в форме куска этого вещества.

За открытие радиоактивности в 1903 году ему была присуждена Нобелевская премия.

С одним из интересных свойств атома связана радиоактивность.

Радиоактивность – свойство атома самопроизвольно излучать невидимые глазом частицы; оно обусловлено распадом их атомных ядер, превращением в другие элементы.

Радиоактивными являются не все атомы.

Как правило, в среднем чем больше масса ядра, тем больше его нестабильность.

Распад радиоактивного атомного ядра сопровождается выбросом трех видов излучений (атом может излучать какой-либо один вид частиц или их комбинацию):

α-лучи представляют собой ядра атомов гелия – частицы, состоящей из двух протонов и двух нейтронов

β-лучи – электроны

γ-лучи – электромагнитное излучение с очень большой частотой: на шкале электромагнитых волн оно находится левее рентгеновского излучения, а значит, является более энергетичным

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Важно знать, на какие расстояния проникают различные виды излучений и какой вред они наносят живым организмам.

α-лучи – проникают на несколько сантиметров. Не проходят даже сквозь бумагу.

β-лучи – проникают на расстояние около 20 метров. Защитой может стать сталь толщиной 3 мм.

γ-лучи – проникает на расстояние около 1 километра. Для защиты используют металл или бетон толщиной в несколько сантиметров.

Также следует помнить, что радиоактивные вещества опасны не сами по себе (например, держать в руках кусок урана не очень опасно) – опасна пыль, которую могут образовывать эти вещества – при попадании внутрь организма она может нанести ощутимый вред здоровью.

Изучением радиоактивности и всего, что с ней связано, занимается отдельная область химии – радиохимия.

Используя α-излучение и испытывая его действие на тонкую металлическую фольгу, Эрнест Резерфорд обнаружил, что α-частицы, проходя через нее, отклоняются от первоначального направления движения.

У меня есть дополнительная информация к этой части урока!

Эрнест Резерфорд – английский ученый.

Считается основоположником ядерной физики – науки о превращениях атомных ядер.

Сконструировал магнитный детектор – приёмник электромагнитных волн.

Открыл α— и β-лучи, предложил для них именно такое название.

Лауреат Нобелевской преми 1908 года за исследования в области радиоактивного распада.

В 1920 году теоретически предположил существование нейтрона.

Это открытие послужило экспериментальным доказательством существования положительно заряженного ядра атома. На его основе в 1911 г. ученый создал планетарную модель атома.

Согласно планетарной модели, атом состоит из несущего положительный заряд ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Сейчас эту модель называют модель Резерфорда-Бора. Датский физик Нильс Бор внёс уточнение в схему Резерфорда: он сказал, что электроны движутся вокруг ядра не хаотично, а по строго определенным орбитам, а также рассчитал радиусы этих орбит.

Радиус первой орбиты в атоме водорода 5,2917720859 х 10 −11 м в физики сейчас называют боровским радиусом.

Позже были открыты составные части атомного ядра: протон и нейтрон, а еще позднее было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц.

Таким образом, по современным представлениям, атом состоит из ядра и электронов. В свою очередь, ядро состоит из протонов и нейтронов.

По своей массе протоны и нейтроны почти одинаковы, их массы равны 1 дальтону (атомная единица массы). Протон имеет положительный заряд, условно принятый равным +1, а нейтрон заряда не имеет.

Электрон имеет заряд, по модулю равный заряду протона, но отрицательный, то есть –1. Масса электрона примерно в 1800 раз меньше массы протона, поэтому ей пренебрегают. Протоны обозначают символом р, нейтроны – n, электроны – е.

Согласно современной теории ядра, протоны и нейтроны связаны между собой сильным взаимодействием.

Всего физики выделяют 4 вида взаимодействий: сильные (ядерные), слабые, гравитационные, электромагнитные.

Составляющие атом частицы обусловливают его важнейшие характеристики.

Заряд ядра – важнейшая характеристика атома и соответствующего ему химического элемента.

Положительный заряд ядра обусловлен протонами: заряд ядра равен числу протонов в нем.

Порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева как раз и равен заряду ядра его атомов и обозначается буквой Z.

Таким образом, химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Другой характеристикой атома, зависимой от частиц ядра, является масса ядра.

Масса ядра складывается из числа протонов и нейтронов в ядре атома.

От количества и расположения электронов в атоме зависят его качественные характеристики: способность объединяться с другими атомами и химические свойства.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Источник

Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые, но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье «Что такое протон, и что у него внутри?», что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от «квантовая хромодинамика». Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

Источник

Атом — его состав и структура

Атом — основная единица элементов. Состав атома и его строение определяет различные свойства элементов. Например, состав атома кристалла кремния будет отличаться от структуры, что представляет, например, вещество уран.
Слово «атом» происходит от греческих корней «а»(без) и «том» (вырезать) что означает «неделимый». Вплоть до 20-го века атомы считались минимально возможными частицами.

Структура атома

Ядро является центральным, очень плотным компонентом атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (совместно называемых нуклонами) и отвечает за большую часть атомной массы. Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре так называемым сильным ядерным взаимодействием (которое является самой сильной известной силой во Вселенной). Вокруг ядра находится облако гораздо меньших и более легких электронов, которые притягиваются к ядру электромагнитной силой от взаимодействия с протонами. Различные количества протонов, нейтронов и электронов приводят к тому, что атом обладает различными химическими свойствами, которые определяют, что это за элемент.

Атомы невообразимо малы, а их ядра в 1000 раз меньше. На самом деле один кубический сантиметр кремния, содержит приблизительно 5 х 10 22 атома (это 5 с 22 нулями после него!). Это масштабы Вселенной, чтобы увидеть визуальное представление о том, насколько они малы.

Протоны

Протоны — это положительно заряженные частицы, которые находятся внутри ядра атома.
Элемент можно распознать по числу протонов в ядре одного из своих атомов. Кроме того, число протонов определяет место элемента в периодической таблице элементов. Например, состав атома углерода имеет ровно 6 протонов в своем ядре и, таким образом, номер 6 в периодической таблице элементов, торий имеет ровно 90 протонов и, таким образом, номер 90 в периодической таблице элементов.
Протоны отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, но стягиваются вместе сильной силой, которая сильнее на коротких расстояниях (эти расстояния составляют около ферми или 10-15 м). Протоны очень маленькие, около 10-15 м в 10 000 раз меньше атома! Несмотря на свои невероятно малые размеры, протоны толкают друг друга с огромной силой, около 100 Н, сравнимой с весом маленькой собаки!
Заряд протона в точности равен и противоположен заряду электрона. Поэтому число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов. Протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые также составляют нейтроны.
Число протонов в ядре называется атомным номером, и это число определяет, каким элементом является вещество. Другими словами, изменение числа протонов, изменяет элемент. Это число протонов (атомный номер) изменяется, когда ядро подвергается бета-распаду или альфа-распаду в любой из его различных форм.
Сложность намеренного изменения количества протонов в ядре велика. Вот почему алхимия (средневековая практика превращения свинца в золото) так долго терпит неудачу!

Нейтроны

Нейтроны имеют ту же массу, что и протоны, что делает их легко определяемыми, сколько находятся в составе ядра атома.
Простое вычитание числа протонов из атомной массы атома даст число нейтронов. Например, цезий является номером 55 в периодической таблице элементов и, следовательно, имеет 55 протонов; кроме того, его атомная масса (обычно также найденная в периодической таблице), как известно, составляет 133 (единицы атомной массы). Вычитание 55 из 133 дает 78, то есть число нейтронов в атоме. Один и тот же тип атома (определяемый количеством протонов) может иметь разное количество нейтронов. Они называются различными изотопами атома. Например, углерод-12 является одним изотопом углерода, а углерод-14 — другим изотопом углерода.

Имеется общее название составляющих атомного ядра. Нуклон — частица из протона и нейтрона, которые образуют ядро. Нуклиды — совокупность атомов с определенным значением нейтронов и протонов: одинаковое число протонов, но разным числом нейтронов. Нуклоны и нуклиды разные понятия.

Электроны

Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что квантовая механика необходима для объяснения их специфического поведения, и насколько физика смогла определить, они являются фундаментальной частицей. Лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые» вращаются » вокруг ядра. Их радиус настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый. Если бы электрон был увеличен до размера Солнечной системы, он все равно выглядел бы сферическим в пределах толщины человеческого волоса.

Состав атома определяет одинаковое количество протонов и электронов, однако он может потерять или приобрести электрон(ы) становится «несбалансированным». Неуравновешенный атом называется ионом; если он получает электрон (таким образом, имея их больше, чем протонов), он становится отрицательно заряженным ионом или анионом. Если происходит обратное, и атом теряет электрон, он становится положительно заряженный ион или катион. Ионы могут соединяться с другими ионами, создавая большое разнообразие различных смесей.
Один из способов, при котором состав атомов получает или теряет электроны, — это излучение высокой энергии. Это излучение вызывает образование ионов и в результате называется ионизирующим излучением.

Электроны и электричество

Электричество — это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током.

Чтобы этот поток произошел, электроны должны разорвать свою атомную связь (электричество — это поток электронов, а не их поток с ядрами, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать электромагнитную силу, сдерживающую его, и таким образом свободно течь.

Проводящий материал

Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах они более свободно связаны с их ядрами. Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанные электроны требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.

Что генерирует поток электронов?

Поток электронов можно генерировать различными способами, но основные из них следующие:

Таким образом, структура или состав атома определяет принадлежность к тому или иному химическому элементу.

Источник