Masa neutronu, protonu, elektronu – co mają ze sobą wspólnego? Protony i neutrony: pandemonium w materii.

Jak już wspomniano, atom składa się z trzech rodzajów cząstek elementarnych: protonów, neutronów i elektronów. Jądro atomowe jest centralną częścią atomu, składającą się z protonów i neutronów. Protony i neutrony mają wspólną nazwę nukleon; mogą one przekształcać się w siebie w jądrze. Jądro najprostszego atomu - atomu wodoru - składa się z jednej cząstki elementarnej - protonu.

Średnica jądra atomu wynosi około 10-13 - 10-12 cm i stanowi 0,0001 średnicy atomu. Jednak prawie cała masa atomu (99,95-99,98%) jest skoncentrowana w jądrze. Gdyby można było otrzymać 1 cm3 czystej materii jądrowej, jej masa wynosiłaby 100-200 milionów ton. Masa jądra atomu jest kilka tysięcy razy większa niż masa wszystkich elektronów tworzących atom.

Proton- cząstka elementarna, jądro atomu wodoru. Masa protonu wynosi 1,6721 x 10–27 kg, co stanowi 1836 mas elektronu. Ładunek elektryczny jest dodatni i równy 1,66 x 10-19 C. Kulomb to jednostka ładunku elektrycznego równa ilości prądu przepływającego przez przekrój poprzeczny przewodnika w czasie 1 s przy stałym prądzie o natężeniu 1 A (ampera).

Każdy atom dowolnego pierwiastka zawiera pewną liczbę protonów w jądrze. Liczba ta jest stała dla danego pierwiastka i określa jego właściwości fizyczne i fizyczne właściwości chemiczne. Oznacza to, że liczba protonów określa, z jakim pierwiastkiem chemicznym mamy do czynienia. Na przykład, jeśli w jądrze znajduje się jeden proton, jest to wodór, jeśli jest 26 protonów, jest to żelazo. Liczba protonów w jądrze atomowym określa ładunek jądra (liczba ładunku Z) i liczbę atomową pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków D.I. Mendelejew (liczba atomowa pierwiastka).

Neutron- cząstka obojętna elektrycznie o masie 1,6749 x 10-27 kg, czyli 1839 razy większa od masy elektronu. Neuron w stanie wolnym jest cząstką niestabilną; samodzielnie zamienia się w proton wraz z emisją elektronu i antyneutrina. Okres półtrwania neutronów (czas, w którym rozpada się połowa pierwotnej liczby neutronów) wynosi około 12 minut. Jednak w stanie związanym wewnątrz stabilnych jąder atomowych jest stabilny. Całkowita liczba nukleonów (protonów i neutronów) w jądrze nazywana jest liczbą masową (masa atomowa - A). Liczba neutronów zawartych w jądrze jest równa różnicy między liczbą masy i ładunku: N = A - Z.

Elektron- cząstka elementarna, nośnik o najmniejszej masie - 0,91095x10-27 g i najmniejszym ładunku elektrycznym - 1,6021x10-19 C. Jest to cząstka naładowana ujemnie. Liczba elektronów w atomie jest równa liczbie protonów w jądrze, tj. atom jest elektrycznie obojętny.

Pozyton- cząstka elementarna o dodatnim ładunku elektrycznym, antycząstka w stosunku do elektronu. Masy elektronu i pozytonu są równe, a ładunki elektryczne są równe wartość bezwzględna, ale przeciwny znak.

Różne typy jąder nazywane są nuklidami. Nuklid to rodzaj atomu o określonej liczbie protonów i neutronów. W przyrodzie występują atomy tego samego pierwiastka o różnych masach atomowych (liczbach masowych):
, Cl itp. Jądra tych atomów zawierają tę samą liczbę protonów, ale różną liczbę neutronów. Odmiany atomów tego samego pierwiastka, które mają ta sama opłata jądra, ale różne liczby masowe, nazywane są izotopy . Mając tę samą liczbę protonów, ale różniąc się liczbą neutronów, izotopy mają tę samą strukturę powłoki elektronowe, tj. bardzo podobne właściwości chemiczne i zajmują to samo miejsce w układzie okresowym pierwiastków chemicznych.

Wskazane przez odpowiedni symbol pierwiastek chemiczny z indeksem A umieszczonym w lewym górnym rogu - w lewym dolnym rogu podana jest także liczba masowa, czasami liczba protonów (Z). Na przykład radioaktywne izotopy fosforu są oznaczone odpowiednio jako 32P, 33P lub P i P. Przy oznaczaniu izotopu bez wskazania symbolu pierwiastka liczbę masową podaje się po oznaczeniu pierwiastka, na przykład fosfor - 32, fosfor - 33.

Większość pierwiastków chemicznych ma kilka izotopów. Oprócz izotopu wodoru 1H-prot, znany jest ciężki wodór 2H-deuter i superciężki wodór 3H-tryt. Uran ma 11 izotopów, w związkach naturalnych są ich trzy (uran 238, uran 235, uran 233). Mają odpowiednio 92 protony oraz 146 143 i 141 neutronów.

Obecnie znanych jest ponad 1900 izotopów 108 pierwiastków chemicznych. Spośród nich do izotopów naturalnych zaliczają się wszystkie izotopy stabilne (około 280 z nich) i naturalne izotopy należące do rodzin radioaktywnych (46 z nich). Pozostałe są klasyfikowane jako sztuczne, otrzymywane są sztucznie w wyniku różnych reakcji jądrowych.

Terminu „izotopy” należy używać tylko wtedy, gdy mówimy o atomach tego samego pierwiastka, na przykład węgla 12C i 14C. Jeśli mamy na myśli atomy różnych pierwiastków chemicznych, zaleca się stosowanie terminu „nuklidy”, na przykład radionuklidy 90Sr, 131J, 137Cs.

Gdy tylko zdarzy ci się spotkać nieznany przedmiot, nieuchronnie pojawia się kupieckie i codzienne pytanie - ile on waży? Ale jeśli ta niewiadoma jest cząstką elementarną, co wtedy? Ale nic, pytanie pozostaje takie samo: jaka jest masa tej cząstki. Gdyby ktoś zaczął liczyć koszty, jakie ludzkość ponosi w celu zaspokojenia swojej ciekawości w badaniu, a raczej mierzeniu masy cząstek elementarnych, dowiedziałby się, że np. masa neutronu w kilogramach przy zdumiewającej wartości liczba zer po przecinku kosztuje ludzkość więcej niż najwięcej kosztowna konstrukcja z taką samą liczbą zer przed przecinkiem.

A wszystko zaczęło się bardzo rutynowo: w 1897 roku w laboratorium kierowanym przez J. J. Thomsona przeprowadzono badania promieni katodowych. W rezultacie wyznaczono uniwersalną stałą dla Wszechświata - stosunek masy elektronu do jego ładunku. Niewiele pozostało do określenia masy elektronu - do określenia jego ładunku. Po 12 latach udało mi się to zrobić. Prowadził eksperymenty ze spadaniem pole elektryczne kropelki oleju i udało mu się nie tylko zrównoważyć ich wagę z wielkością pola, ale także przeprowadzić niezbędne i niezwykle subtelne pomiary. Ich wynikiem jest liczbowa wartość masy elektronu:

ja = 9,10938215(15) * 10-31kg.

Z tego okresu pochodzą także badania nad budowlą, których pionierem był Ernest Rutherford. To on obserwując rozpraszanie naładowanych cząstek zaproponował model atomu z zewnętrzną powłoką elektronową i dodatnim jądrem. Cząstkę, która miała pełnić rolę jądra najprostszego atomu, uzyskano poprzez bombardowanie azotem. Była to pierwsza reakcja jądrowa uzyskana w laboratorium – w jej wyniku otrzymano tlen i jądra przyszłości zwane protonami. azot. Jednak promienie alfa składają się ze złożonych cząstek: oprócz dwóch protonów zawierają także dwa neutrony. Masa neutronu jest prawie równa masa całkowita Cząstka alfa okazuje się dość znaczna, aby zniszczyć nadchodzące jądro i odłamać z niego „kawałek”, co też się stało.

Przepływ dodatnich protonów został odchylony pole elektryczne, kompensując jego odchylenie spowodowane przez. W tych eksperymentach określenie masy protonu nie było już trudne. Ale najciekawszym pytaniem było, jaki jest stosunek masy protonu i elektronu. Zagadka została natychmiast rozwiązana: masa protonu przewyższa masę elektronu nieco ponad 1836 razy.

Zatem początkowo założono, że model atomu, zdaniem Rutherforda, będzie układem elektron-proton z taką samą liczbą protonów i elektronów. Szybko jednak okazało się, że pierwotny model jądrowy nie opisuje w pełni wszystkich zaobserwowanych efektów w oddziaływaniach cząstek elementarnych. Dopiero w 1932 roku potwierdził hipotezę o dodatkowych cząstkach w jądrze. Nazywano je neutronami, neutralnymi protonami, ponieważ. nie mieli żadnych zarzutów. To właśnie ta okoliczność decyduje o ich większej zdolności penetracji - nie marnują swojej energii na jonizację nadjeżdżających atomów. Masa neutronu jest niewiele większa od masy protonu – tylko o około 2,6 masy elektronu więcej.

O właściwościach chemicznych substancji i związków, jakie tworzy dany pierwiastek, decyduje liczba protonów w jądrze atomu. Z biegiem czasu potwierdzono udział protonu w oddziaływaniach silnych i innych fundamentalnych: elektromagnetycznych, grawitacyjnych i słabych. Co więcej, pomimo tego, że neutron nie ma ładunku, w oddziaływaniach silnych proton i neutron uważane są za cząstkę elementarną, czyli nukleon, w różnych stanach kwantowych. Podobieństwo w zachowaniu tych cząstek można częściowo wytłumaczyć faktem, że masa neutronu bardzo niewiele różni się od masy protonu. Stabilność protonów pozwala na ich wykorzystanie, po rozpędzeniu do dużych prędkości, jako cząstek bombardujących w celu przeprowadzenia reakcji jądrowych.

→

Wiele osób dobrze wie ze szkoły, że wszystkie substancje składają się z atomów. Atomy z kolei składają się z protonów i neutronów, które tworzą jądro atomów oraz elektronów znajdujących się w pewnej odległości od jądra. Wiele osób słyszało również, że światło składa się również z cząstek - fotonów. Jednak świat cząstek nie ogranicza się do tego. Do chwili obecnej znanych jest ponad 400 różnych cząstek elementarnych. Spróbujmy zrozumieć, czym różnią się od siebie cząstki elementarne.

Istnieje wiele parametrów, dzięki którym można odróżnić cząstki elementarne:

Waga.
Ładunek elektryczny.
Czas życia. Prawie wszystkie cząstki elementarne mają skończony czas życia, po którym ulegają rozpadowi.
Kręcić się. Można to uznać w przybliżeniu za moment obrotowy.

Jeszcze kilka parametrów, czyli jak się je powszechnie nazywa w nauce liczb kwantowych. Parametry te nie zawsze mają jasne znaczenie fizyczne, ale są potrzebne do odróżnienia jednych cząstek od innych. Wszystkie te dodatkowe parametry są wprowadzane jako pewne wielkości, które są zachowywane w interakcji.

Prawie wszystkie cząstki mają masę, z wyjątkiem fotonów i neutrin (według najnowszych danych neutrina mają masę, ale na tyle małą, że często uważa się ją za zero). Bez masy cząstki mogą istnieć jedynie w ruchu. Wszystkie cząstki mają różną masę. Elektron ma najmniejszą masę, nie licząc neutrina. Cząstki zwane mezonami mają masę 300-400 razy większą od masy elektronu, proton i neutron są prawie 2000 razy cięższe od elektronu. Obecnie odkryto cząstki prawie 100 razy cięższe od protonu. Masa (lub jej odpowiednik energetyczny zgodnie ze wzorem Einsteina:

jest zachowana we wszystkich oddziaływaniach cząstek elementarnych.

Nie wszystkie cząstki mają ładunek elektryczny, co oznacza, że nie wszystkie cząstki są zdolne do uczestniczenia w oddziaływaniach elektromagnetycznych. Wszystkie swobodnie istniejące cząstki ładunek elektryczny jest wielokrotnością ładunku elektronu. Oprócz cząstek swobodnie istniejących istnieją również cząstki, które są tylko w stanie związanym; porozmawiamy o nich nieco później.

Spin, podobnie jak inne liczby kwantowe, jest inny dla różnych cząstek i charakteryzuje ich niepowtarzalność. Niektóre liczby kwantowe są zachowane w niektórych interakcjach, inne w innych. Wszystkie te liczby kwantowe określają, które cząstki oddziałują z którymi i w jaki sposób.

Czas życia jest również bardzo ważna cecha cząstki i rozważymy to bardziej szczegółowo. Zacznijmy od notatki. Jak powiedzieliśmy na początku artykułu, wszystko, co nas otacza, składa się z atomów (elektronów, protonów i neutronów) oraz światła (fotonów). Gdzie zatem są setki innych? różne typy cząstki elementarne. Odpowiedź jest prosta – wszędzie wokół nas, a my tego nie zauważamy z dwóch powodów.

Pierwsza z nich polega na tym, że prawie wszystkie inne cząstki żyją bardzo krótko, około 10 do minus 10 potęgi sekundy lub mniej i dlatego nie tworzą takich struktur jak atomy, sieci krystaliczne itp. Drugi powód dotyczy neutrin; cząstki te, choć nie ulegają rozpadowi, podlegają jedynie oddziaływaniom słabym i grawitacyjnym. Oznacza to, że cząstki te oddziałują na siebie tak słabo, że są prawie niemożliwe do wykrycia.

Wyobraźmy sobie, jak dobrze cząstka oddziałuje. Na przykład przepływ elektronów można zatrzymać za pomocą dość cienkiej blachy stalowej, rzędu kilku milimetrów. Stanie się tak, ponieważ elektrony natychmiast zaczną oddziaływać z cząsteczkami blachy stalowej, gwałtownie zmienią swój kierunek, wyemitują fotony, a co za tym idzie, dość szybko stracą energię. Inaczej jest w przypadku przepływu neutrin; mogą one przechodzić przez Ziemię niemal bez interakcji. Dlatego bardzo trudno jest je wykryć.

Zatem większość cząstek żyje przez bardzo krótki czas, po czym ulega rozpadowi. Rozpady cząstek są najczęstszymi reakcjami. W wyniku rozpadu jedna cząstka rozpada się na kilka innych o mniejszej masie, a te z kolei ulegają dalszemu rozpadowi. Wszystkie rozpady są posłuszne pewne zasady– prawa konserwatorskie. Na przykład w wyniku rozpadu musi zostać zachowany ładunek elektryczny, masa, spin i szereg innych liczb kwantowych. Niektóre liczby kwantowe mogą zmieniać się podczas rozpadu, ale również podlegają pewnym zasadom. To reguły rozpadu mówią nam, że elektron i proton są cząstkami stabilnymi. Nie mogą już ulegać rozkładowi zgodnie z zasadami rozkładu i dlatego to oni kończą łańcuchy rozkładu.

Tutaj chciałbym powiedzieć kilka słów o neutronie. Swobodny neutron również rozpada się na proton i elektron w ciągu około 15 minut. Nie dzieje się tak jednak, gdy neutron znajduje się w jądrze atomowym. Można ten fakt wytłumaczyć na różne sposoby. Na przykład, gdy w jądrze atomu pojawi się elektron i dodatkowy proton z rozpadającego się neutronu, natychmiast następuje reakcja odwrotna - jeden z protonów pochłania elektron i zamienia się w neutron. Ten obraz nazywa się równowagą dynamiczną. Zaobserwowano ją we wszechświecie na wczesnym etapie jego rozwoju, wkrótce po Wielkim Wybuchu.

Oprócz reakcji rozpadu istnieją również reakcje rozpraszania - gdy dwie lub więcej cząstek oddziałują jednocześnie, w wyniku czego powstaje jedna lub więcej innych cząstek. Istnieją również reakcje absorpcji, gdy dwie lub więcej cząstek wytwarza jedną. Wszystkie reakcje zachodzą w wyniku silnych oddziaływań słabych lub elektromagnetycznych. Reakcje spowodowane silną interakcją są najszybsze; czas takiej reakcji może osiągnąć 10 minus 20 sekund. Szybkość reakcji zachodzących w wyniku oddziaływania elektromagnetycznego jest mniejsza; tutaj czas może wynosić około 10 minus 8 sekund. W przypadku słabych reakcji interakcji czas może sięgać kilkudziesięciu sekund, a czasami lat.

Na koniec opowieści o cząstkach porozmawiajmy o kwarkach. Kwarki to cząstki elementarne, które mają ładunek elektryczny będący wielokrotnością jednej trzeciej ładunku elektronu i które nie mogą istnieć w stanie swobodnym. Ich interakcja jest ułożona w taki sposób, że mogą żyć jedynie jako część czegoś. Na przykład połączenie trzech kwarków określonego typu tworzy proton. Inna kombinacja wytwarza neutron. W sumie znanych jest 6 kwarków. Ich różne kombinacje dają nam różne cząstki i choć nie wszystkie kombinacje kwarków są dozwolone przez prawa fizyczne, istnieje całkiem sporo cząstek zbudowanych z kwarków.

Tutaj może pojawić się pytanie: jak proton można nazwać elementarnym, jeśli składa się z kwarków? To bardzo proste - proton jest elementarny, ponieważ nie można go rozłożyć na części składowe - kwarki. Wszystkie cząstki biorące udział w oddziaływaniu silnym składają się z kwarków, a jednocześnie są elementarne.

Zrozumienie oddziaływań cząstek elementarnych jest bardzo ważne dla zrozumienia struktury wszechświata. Wszystko, co dzieje się z makrociałami, jest wynikiem interakcji cząstek. To interakcja cząstek opisuje wzrost drzew na Ziemi, reakcje we wnętrzach gwiazd, promieniowanie gwiazd neutronowych i wiele więcej.

Prawdopodobieństwa i mechanika kwantowa

Rozmiary i masy atomów są małe. Promień atomów wynosi 10–10 m, a promień jądra 10–15 m. Masę atomu określa się dzieląc masę jednego mola atomów pierwiastka przez liczbę atomów w 1 molu. (NA = 6,02·10 23 mol -1). Masa atomów waha się w granicach 10 -27 ~ 10 -25 kg. Zazwyczaj masę atomów wyraża się w jednostkach masy atomowej (amu). dla południa Przyjmuje się 1/12 masy atomu izotopu węgla 12 C.

Głównymi cechami atomu są ładunek jego jądra (Z) i liczba masowa (A). Liczba elektronów w atomie jest równa ładunkowi jego jądra. O właściwościach atomów decyduje ładunek ich jąder, liczba elektronów i ich stan w atomie.

Podstawowe właściwości i budowa jądra (teoria składu jąder atomowych)

1. Jądra atomowe wszystkich pierwiastków (z wyjątkiem wodoru) składają się z protonów i neutronów.

2. Liczba protonów w jądrze określa wartość jego ładunku dodatniego (Z). Z- numer seryjny pierwiastka chemicznego w układzie okresowym Mendelejewa.

3. Całkowita liczba protonów i neutronów jest wartością jego masy, ponieważ masa atomu koncentruje się głównie w jądrze (99,97% masy atomu). Cząstki jądrowe – protony i neutrony – nazywane są zbiorczo nukleony(od łacińskiego słowa „jądro”, co oznacza „jądro”). Całkowita liczba nukleonów odpowiada liczbie masowej, tj. jego masa atomowa A zaokrąglona do najbliższej liczby całkowitej.

Rdzenie z tym samym Z, ale inny A są nazywane izotopy. Rdzenie z tym samym A mieć różne Z, nazywane są izobary. W sumie znanych jest około 300 stabilnych izotopów pierwiastków chemicznych oraz ponad 2000 naturalnych i sztucznie wytworzonych izotopów promieniotwórczych.

4. Liczba neutronów w jądrze N można znaleźć na podstawie różnicy między liczbą masową ( A) i numer seryjny ( Z):

5. Scharakteryzowano wielkość jądra promień rdzenia, co ma znaczenie warunkowe ze względu na zatarcie granicy rdzenia.

Gęstość materii jądrowej jest rzędu wielkości 10 17 kg/m 3 i jest stała dla wszystkich jąder. Znacząco przekracza gęstości najgęstszych zwykłych substancji.

Teoria protonów i neutronów pozwoliła rozwiązać pojawiające się wcześniej sprzeczności w poglądach na temat składu jąder atomowych i jego związku z liczbą atomową i masą atomową.

Energia wiązania jądrowego zależy od ilości pracy, jaką należy wykonać, aby rozdzielić jądro na tworzące go nukleony bez przekazywania im energii kinetycznej. Z prawa zachowania energii wynika, że podczas tworzenia jądra musi zostać uwolniona taka sama energia, jaka musi zostać zużyta podczas rozszczepienia jądra na tworzące go nukleony. Energia wiązania jądra jest różnicą pomiędzy energią wszystkich wolnych nukleonów tworzących jądro a ich energią w jądrze.

Kiedy powstaje jądro, jego masa maleje: masa jądra jest mniejsza niż suma mas tworzących ją nukleonów. Spadek masy jądra podczas jego powstawania tłumaczy się uwolnieniem energii wiązania. Jeśli W sv to ilość energii uwolnionej podczas tworzenia jądra, a następnie odpowiednia masa Dm, równa

zwany defekt masy i charakteryzuje spadek całkowitej masy podczas tworzenia jądra z jego składowych nukleonów. Jedna jednostka masy atomowej odpowiada jednostka energii atomowej(aue): aue=931,5016 MeV.

Specyficzna energia wiązania jądrowego w Energia wiązania na nukleon nazywana jest: w sv= . Ogrom wśrednio 8 MeV/nukleon. Wraz ze wzrostem liczby nukleonów w jądrze specyficzna energia wiązania maleje.

Kryterium stabilności jąder atomowych jest stosunkiem liczby protonów i neutronów w stabilnym jądrze dla danych izobar. ( A= stała).

Siły nuklearne

1. Interakcja jądrowa wskazuje, że są wyjątkowe siły nuklearne, nieredukowalne do żadnego z rodzajów sił znanych w fizyce klasycznej (grawitacyjnych i elektromagnetycznych).

2. Siły nuklearne są siłami krótkiego zasięgu. Pojawiają się tylko w bardzo małych odległościach między nukleonami w jądrze, rzędu 10-15 m. Nazywa się to długością (1,5 x 2,2) 10-15 m zasięgu sił nuklearnych.

3. Wykryto siły nuklearne niezależność opłat: Przyciąganie pomiędzy dwoma nukleonami jest takie samo niezależnie od stanu naładowania nukleonów – protonu czy nukleonu. Niezależność ładunków sił jądrowych jest oczywista z porównania energii wiązania w rdzenie lustrzane. Tak nazywa się jądra, w których całkowita liczba nukleonów jest taka sama, ale liczba protonów w jednym jest równa liczbie neutronów w drugim. Na przykład jądra helu ciężki wodór tryt - .

4. Siły jądrowe mają właściwość nasycenia, która objawia się tym, że nukleon w jądrze oddziałuje tylko z ograniczoną liczbą najbliższych mu sąsiadujących nukleonów. Dlatego istnieje liniowa zależność energii wiązania jąder od ich liczby masowej (A). Prawie całkowite nasycenie sił jądrowych osiąga się w cząstce a, która jest formacją bardzo stabilną.

Radioaktywność, promieniowanie g, a i b - rozpad

1.Radioaktywność nazywana jest przemianą niestabilnych izotopów jednego pierwiastka chemicznego w izotopy innego pierwiastka, której towarzyszy emisja cząstek elementarnych, jąder lub twardego promieniowania rentgenowskiego. Naturalna radioaktywność nazywana radioaktywnością obserwowaną w naturalnie występujących niestabilnych izotopach. Sztuczna radioaktywność nazywa się radioaktywnością izotopów powstałych w wyniku reakcji jądrowych.

2. Zazwyczaj wszystkim rodzajom radioaktywności towarzyszy emisja promieniowania gamma – twardego, krótkofalowego promieniowania elektrycznego. Główną formą redukcji energii wzbudzonych produktów przemian radioaktywnych jest promieniowanie gamma. Jądro ulegające rozpadowi promieniotwórczemu nazywa się macierzyński; wyłaniające się pomocniczy jądro z reguły okazuje się wzbudzone, a jego przejściu do stanu podstawowego towarzyszy emisja fotonu g.

3. Rozpad alfa nazywaną emisją cząstek a przez jądra niektórych pierwiastków chemicznych. Rozpad alfa jest właściwością ciężkich jąder o liczbach masowych A>200 i ładunki nuklearne Z>82. Wewnątrz takich jąder następuje tworzenie izolowanych cząstek a, z których każda składa się z dwóch protonów i dwóch neutronów, tj. powstaje atom pierwiastka przemieszczonego w stole układ okresowy elementy D.I. Mendelejew (PSE) dwie komórki na lewo od pierwotnego pierwiastka promieniotwórczego o liczbie masowej mniejszej niż 4 jednostki(Reguła Soddy’ego-Fajansa):

4. Termin rozpad beta odnosi się do trzech rodzajów przemian jądrowych: elektroniczny(zespół pozytronowy(b+) rozpada się, jak również przechwytywanie elektroniczne.

Rozpad b zachodzi głównie w jądrach stosunkowo bogatych w neutrony. W tym przypadku neutron jądra rozpada się na proton, elektron i antyneutrino () o zerowym ładunku i masie.

Podczas rozpadu b liczba masowa izotopu nie zmienia się, ponieważ całkowita liczba protonów i neutronów zostaje zachowana, a ładunek wzrasta o 1. Dlatego atom powstałego pierwiastka chemicznego zostaje przesunięty przez PSE o jedną komórkę w prawo od pierwiastka pierwotnego, ale jego liczba masowa nie ulega zmianie(Reguła Soddy’ego-Fajansa):

Rozpad b+- zachodzi głównie w jądrach stosunkowo bogatych w protony. W tym przypadku proton jądra rozpada się na neutron, pozyton i neutrino ().

Podczas rozpadu b+ liczba masowa izotopu nie zmienia się, ponieważ całkowita liczba protonów i neutronów zostaje zachowana, a ładunek maleje o 1. Zatem atom powstałego pierwiastka chemicznego zostaje przesunięty przez PSE o jedną komórkę w lewo od pierwiastka pierwotnego, lecz jego liczba masowa nie ulega zmianie(Reguła Soddy’ego-Fajansa):

5. W przypadku wychwytu elektronów przemiana polega na zaniku jednego z elektronów w warstwie najbliższej jądra. Proton zamieniając się w neutron „wychwytuje” elektron; Stąd pochodzi termin „przechwytywanie elektroniczne”. Wychwytowi elektronowemu, w odróżnieniu od wychwytu b±- towarzyszy charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie.

6. Rozpad b zachodzi w jądrach promieniotwórczych naturalnie i sztucznie; Rozpad b+ jest charakterystyczny jedynie dla zjawiska sztucznej promieniotwórczości.

7. promieniowanie g: po wzbudzeniu jądro atomu emituje promieniowanie elektromagnetyczne o krótkiej długości fali i wysoka częstotliwość, który ma większą sztywność i siłę penetracji niż promienie rentgenowskie. W rezultacie energia jądra maleje, ale liczba masowa i ładunek jądra pozostają niezmienione. Dlatego nie obserwuje się przemiany pierwiastka chemicznego w inny, a jądro atomu przechodzi w stan mniej wzbudzony.

Atom to najmniejsza cząsteczka pierwiastka chemicznego, która zachowuje wszystkie swoje właściwości chemiczne. Atom składa się z jądra, które ma dodatni ładunek elektryczny i ujemnie naładowane elektrony. Ładunek jądra dowolnego pierwiastka chemicznego jest równy iloczynowi Z i e, gdzie Z jest numerem seryjnym tego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków chemicznych, e jest wartością elementarnego ładunku elektrycznego.

Elektron to najmniejsza cząstka substancji o ujemnym ładunku elektrycznym e=1,6·10 -19 kulombów, rozumiana jako elementarny ładunek elektryczny. Elektrony krążące wokół jądra znajdują się w powłokach elektronowych K, L, M itd. K jest powłoką najbliższą jądru. Rozmiar atomu zależy od rozmiaru jego powłoki elektronowej. Atom może stracić elektrony i stać się jonem dodatnim lub zyskać elektrony i stać się jonem ujemnym. Ładunek jonu określa liczbę utraconych lub zyskanych elektronów. Proces przekształcania neutralnego atomu w naładowany jon nazywa się jonizacją.

Jądro atomowe(centralna część atomu) składa się z elementarnych cząstek jądrowych - protonów i neutronów. Promień jądra jest około sto tysięcy razy mniejszy niż promień atomu. Gęstość jądra atomowego jest niezwykle duża. Protony- są to stabilne cząstki elementarne o pojedynczym dodatnim ładunku elektrycznym i masie 1836 razy większej od masy elektronu. Proton jest jądrem atomu najlżejszego pierwiastka, wodoru. Liczba protonów w jądrze wynosi Z. Neutron jest obojętną (nieposiadającą ładunku elektrycznego) cząstką elementarną o masie bardzo zbliżonej do masy protonu. Ponieważ masa jądra składa się z masy protonów i neutronów, liczba neutronów w jądrze atomu jest równa A - Z, gdzie A jest liczbą masową danego izotopu (patrz). Proton i neutron tworzące jądro nazywane są nukleonami. W jądrze nukleony są połączone specjalnymi siłami jądrowymi.

Jądro atomowe zawiera ogromną rezerwę energii, która jest uwalniana podczas reakcji jądrowych. Reakcje jądrowe zachodzą, gdy jądra atomowe oddziałują z cząstkami elementarnymi lub z jądrami innych pierwiastków. W wyniku reakcji jądrowych powstają nowe jądra. Na przykład neutron może przekształcić się w proton. W tym przypadku cząstka beta, czyli elektron, zostaje wyrzucona z jądra.

Przejście protonu do neutronu w jądrze można przeprowadzić na dwa sposoby: albo z cząstki o masie równej masie elektronu, ale z ładunkiem dodatnim, zwanej pozytonem (rozpad pozytonu), emitowana jest jądro lub jądro wychwytuje jeden z elektronów z najbliższej mu powłoki K (K - przechwytywanie).

Czasami powstałe jądro ma nadmiar energii (jest w stanie wzbudzonym) i wpada w normalny stan, uwalnia nadmiar energii w formie promieniowanie elektromagnetyczne o bardzo krótkiej długości fali - . Energia powstająca podczas reakcji jądrowych jest praktycznie wykorzystywana w różnych gałęziach przemysłu.

Atom (gr. atomos – niepodzielny) to najmniejsza cząsteczka pierwiastka chemicznego, która ma swoje właściwości chemiczne. Każdy pierwiastek składa się z określonego rodzaju atomu. Atom składa się z jądra, które niesie dodatni ładunek elektryczny i ujemnie naładowane elektrony (patrz), tworząc jego powłoki elektronowe. Wielkość ładunku elektrycznego jądra jest równa Z-e, gdzie e jest elementarnym ładunkiem elektrycznym równym ładunkowi elektronu (4,8·10 -10 jednostek elektrycznych), a Z jest liczbą atomową tego pierwiastka w układzie okresowym pierwiastków chemicznych (patrz .). Ponieważ niezjonizowany atom jest obojętny, liczba zawartych w nim elektronów jest również równa Z. Skład jądra (patrz Jądro atomowe) obejmuje nukleony, cząstki elementarne o masie około 1840 razy większej niż masa elektronu (równe 9,1 · 10 - 28 g), protony (patrz), naładowane dodatnio i neutrony nie posiadające ładunku (patrz). Liczba nukleonów w jądrze nazywana jest liczbą masową i oznaczona jest literą A. Liczba protonów w jądrze, równa Z, określa liczbę elektronów wchodzących do atomu, budowę powłok elektronowych oraz skład chemiczny właściwości atomu. Liczba neutronów w jądrze wynosi A-Z. Izotopy to odmiany tego samego pierwiastka, których atomy różnią się od siebie liczbą masową A, ale mają tę samą Z. Zatem w jądrach atomów różnych izotopów tego samego pierwiastka znajdują się różne liczby neutronów o tej samej liczba protonów. Przy oznaczaniu izotopów liczbę masową A zapisuje się nad symbolem pierwiastka, a liczbę atomową poniżej; na przykład izotopy tlenu są oznaczone:

Wymiary atomu są określone przez wymiary powłok elektronowych i dla wszystkich Z mają wartość rzędu 10 -8 cm, ponieważ masa wszystkich elektronów atomu jest kilka tysięcy razy mniejsza niż masa jądra , masa atomu jest proporcjonalna do liczby masowej. Masę względną atomu danego izotopu określa się w stosunku do masy atomu izotopu węgla C12, przyjmowanej jako 12 jednostek, i nazywa się ją masą izotopu. Okazuje się, że jest ona zbliżona do liczby masowej odpowiedniego izotopu. Masa względna atomu pierwiastka chemicznego jest średnią (biorąc pod uwagę względną liczebność izotopów danego pierwiastka) wartości masy izotopowej i nazywana jest masą atomową (masą).

Atom jest układem mikroskopowym, a jego budowę i właściwości można wyjaśnić jedynie za pomocą teorii kwantowej, powstałej głównie w latach 20. XX wieku i mającej na celu opisanie zjawisk w skali atomowej. Eksperymenty wykazały, że mikrocząstki - elektrony, protony, atomy itp. - oprócz korpuskularnych, mają właściwości falowe, objawiające się dyfrakcją i interferencją. W teorii kwantowej do opisu stanu mikroobiektów wykorzystuje się pewne pole falowe, charakteryzujące się funkcją falową (funkcją Ψ). Funkcja ta określa prawdopodobieństwa możliwych stanów mikroobiektu, czyli charakteryzuje potencjalne możliwości uzewnętrznienia się niektórych jego właściwości. Prawo zmienności funkcji Ψ w przestrzeni i czasie (równanie Schrodingera), które pozwala znaleźć tę funkcję, odgrywa w teorii kwantów tę samą rolę, co prawa ruchu Newtona w mechanice klasycznej. Rozwiązanie równania Schrödingera w wielu przypadkach prowadzi do dyskretnych możliwych stanów układu. I tak np. w przypadku atomu uzyskuje się szereg funkcji falowych dla elektronów odpowiadających różnym (skwantowanym) wartościom energii. Układ poziomów energii atomowej, obliczony metodami teorii kwantowej, otrzymał doskonałe potwierdzenie w spektroskopii. Przejście atomu ze stanu podstawowego odpowiadającego najniższemu poziomowi energii E 0 do dowolnego ze stanów wzbudzonych E i następuje po pochłonięciu określonej części energii E i - E 0 . Wzbudzony atom przechodzi do stanu mniej wzbudzonego lub podstawowego, zwykle poprzez emisję fotonu. W tym przypadku energia fotonu hv jest równa różnicy energii atomu w dwóch stanach: hv = E i - E k gdzie h to stała Plancka (6,62·10 -27 erg·sec), v to częstotliwość światła.

Oprócz widm atomowych teoria kwantowa umożliwiła wyjaśnienie innych właściwości atomów. W szczególności wartościowość, natura wiązanie chemiczne i budowy cząsteczek, stworzono teorię układu okresowego pierwiastków.