Маса нейтрону, протону, електрона – що спільного? Протони і нейтрони: стовпотвори всередині матерії.

Як зазначалося, атом складається з трьох видів елементарних частинок: протонів, нейтронів і електронів. Атомне ядро ​​- центральна частина атома, що складається з протонів та нейтронів. Протони та нейтрони мають загальну назву нуклон, в ядрі вони можуть перетворюватися один на одного. Ядро найпростішого атома – атома водню – складається з однієї елементарної частинки – протона.

Діаметр ядра атома дорівнює приблизно 10-13 – 10-12 см і становить 0,0001 діаметра атома. Однак практично вся маса атома (99,95-99,98%) зосереджена в ядрі. Якби вдалося отримати 1 см3 чистої ядерної речовини, маса її становила б 100-200 млн.т. Маса ядра атома у кілька тисяч разів перевищує масу всіх електронів, що входять до складу атома.

Протон- Елементарна частка, ядро ​​атома водню. Маса протона дорівнює 1,6721 х 10-27 кг, вона в 1836 разів більша за масу електрона. Електричний заряд позитивний і дорівнює 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - одиниця електричного заряду, що дорівнює кількості електрики, що проходить через поперечний переріз провідника за час 1с при незмінній силі струму 1А (ампер).

Кожен атом будь-якого елемента містить у ядрі кілька протонів. Це число постійне для даного елемента і визначає його фізичні та Хімічні властивості. Тобто, від кількості протонів залежить, з яким хімічним елементом ми маємо справу. Наприклад, якщо в ядрі один протон – це водень, якщо 26 протонів – це залізо. Число протонів в атомному ядрі визначає заряд ядра (зарядове число Z) та порядковий номер елемента в періодичній системі елементів Д.І. Менделєєва (атомний номер елемента).

Нейтрон- Електрично нейтральна частка з масою 1,6749 х 10-27кг, в 1839 разів більше маси електрона. Нейрон у вільному стані - нестабільна частка, він самостійно перетворюється на протон з випромінюванням електрона та антинейтрино. Період напіврозпаду нейтронів (час, протягом якого розпадається половина первісної кількості нейтронів) дорівнює приблизно 12 хв. Однак у зв'язаному стані всередині стабільних атомних ядер він стабільний. Загальне число нуклонів (протонів та нейтронів) в ядрі називають масовим числом (атомною масою – А). Число нейтронів, що входять до складу ядра, дорівнює різниці між масовим і зарядовим числами: N = A - Z.

Електрон- елементарна частка, носій найменшої маси - 0,91095х10-27г та найменшого електричного заряду - 1,6021х10-19 Кл. Це негативно заряджена частка. Число електронів у атомі дорівнює числу протонів у ядрі, тобто. атом електрично нейтральний.

Позитрон- елементарна частка з позитивним електричним зарядом, античастка по відношенню до електрона. Маса електрона і позитрону рівні, а електричні заряди рівні абсолютної величиниале протилежні за знаком.

Різні типи ядер називають нуклідами. Нуклід - вид атомів з цими числами протонів та нейтронів. У природі існують атоми одного й того самого елемента з різною атомною масою (масовим числом):
, Cl і т.д. Ядра цих атомів містять однакову кількість протонів, але різне число нейтронів. Різновиди атомів одного і того ж елемента, що мають однаковий зарядядер, але різне масове число називаються ізотопами . Маючи однакову кількість протонів, але відрізняючись кількістю нейтронів, ізотопи мають однакову будову електронних оболонок, тобто. дуже близькі хімічні властивості і займають те саме місце в періодичній системі хімічних елементів.

Позначають символом відповідного хімічного елементаз розташованим зверху ліворуч індексом А - масовим числом, іноді ліворуч унизу наводиться також число протонів (Z). Наприклад, радіоактивні ізотопи фосфору позначають 32Р, 33Р або Р і Р відповідно. При позначенні ізотопу без вказівки символу елемента наводиться масове число після позначення елемента, наприклад, фосфор - 32, фосфор - 33.

Більшість хімічних елементів має кілька ізотопів. Крім ізотопу водню 1Н-протию, відомий важкий водень 2Н-дей-терій та надважкий водень 3Н-тритій. У урану 11 ізотопів, у природних сполуках їх три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протони і відповідно 146,143 та 141 нейтрон.

В даний час відомо понад 1900 ізотопів 108 хімічних елементів. З них до природних відносяться всі стабільні (їх приблизно 280) та природні ізотопи, що входять до складу радіоактивних сімейств (їх 46). Інші відносяться до штучних, вони отримані штучним шляхом внаслідок різних ядерних реакцій.

Термін «ізотопи» слід застосовувати тільки в тих випадках, коли йдеться про атоми одного й того самого елемента, наприклад, вуглецю 12С і 14С. Якщо маються на увазі атоми різних хімічних елементів, рекомендується використовувати термін «нукліди», наприклад радіонукліди 90Sr, 131J, 137Cs.

Щойно трапляється зустрітися з невідомим предметом, то обов'язково виникає меркантильно-життєве питання – а скільки це важить. А от якщо це невідоме – елементарна частка, що тоді? А нічого, питання залишається тим самим: яка ж маса цієї частки. Якби хтось зайнявся підрахунком витрат, понесених людством для задоволення своєї цікавості на дослідження, точніше, виміру, маси елементарних частинок, то ми б дізналися, що, наприклад, маса нейтрона в кілограмах з дивовижною кількістю нулів після коми, обійшлося людству дорожче, чим саме дороге будівництвоз такою ж кількістю нулів до коми.

А починалося все дуже буденно: у керованій Дж. Дж. Томсоном лабораторії 1897 р. проводилися дослідження катодних променів. В результаті було визначено універсальну константу для Всесвіту - величина відношення маси електрона до його заряду. До визначення маси електрона залишилося зовсім небагато – визначити його заряд. За 12 років зумів це зробити. Він проводив експерименти з падаючими в електричному полікрапельками олії, і йому вдалося не тільки врівноважити їхню вагу величиною поля, але й провести необхідні та надзвичайно тонкі виміри. Їх результат – чисельне значення маси електрона:

me = 9,10938215 (15) * 10-31кг.

До цього часу належать і дослідження структури, де першопрохідником був Ернест Резерфорд. Саме він, спостерігаючи за розсіянням заряджених частинок, запропонував модель атома із зовнішньою електронною оболонкою та позитивним ядром. Частка, якою була запропонована роль ядра найпростішого атома, виходила при бомбардуванні азоту. Це була перша ядерна реакція, отримана в лабораторії - в її результаті з азоту виходив кисень і ядра майбутніх названих протонами. Однак, альфа-промені складаються зі складних частинок: крім двох протонів вони містять ще два нейтрони. Маса нейтрону майже дорівнює і Загальна масаальфа-частинки виходить цілком солідною для того, щоб зруйнувати зустрічне ядро ​​і відколоти від нього шматочок, що і сталося.

Потік позитивних протонів відхилявся електричним полем, компенсуючи його відхилення, викликане У цих експериментах визначити масу протона не складало труднощів. Але найцікавішим було питання, яке співвідношення мають маса протона і електрона. Загадка була вирішена: маса протона перевищує масу електрона трохи більше, ніж 1836 разів.

Отже, спочатку модель атома передбачалася, за Резерфордом, як електронно-протонний комплект з однаковим числом протонів і електронів. Однак незабаром виявилося, що первинна ядерна модель в повному обсязі визначає всі спостережувані ефекти по взаємодіям елементарних частинок. Лише у 1932 році підтвердив гіпотезу про додаткові частки у складі ядра. Їх назвали нейтронами, нейтральними протонами, т.к. вони мали заряду. Саме ця обставина зумовлює їхню велику проникаючу здатність - вони не витрачають свою енергію на іонізацію зустрічних атомів. Маса нейтрона дуже трохи перевищує масу протона - всього приблизно на 2,6 електронних маси більше.

Хімічні властивості речовин та сполук, що утворюються даним елементом, визначаються числом протонів у ядрі атома. Згодом підтвердилася участь протона у сильних та інших фундаментальних взаємодіях: електромагнітному, гравітаційному та слабкому. При цьому, незважаючи на те, що заряду нейтрону немає, при сильних взаємодіях протон і нейтрон розглядають як елементарну частинку нуклон у різних квантових станах. Частково подібність поведінки цих частинок пояснюється й тим, що маса нейтрона дуже мало відрізняється від маси протона. Стабільність протонів дозволяє використовувати їх, попередньо прискоривши до високих швидкостей як бомбардуючих частинок для здійснення ядерних реакцій.

→

Багатьом зі школи добре відомо, що всі речовини складалися з атомів. Атоми у свою чергу складаються з протонів і нейтронів, що утворюють ядро ​​атоми та електронів, розташованих на деякій відстані від ядра. Багато хто також чув, що світло теж складається з частинок – фотонів. Однак у цьому світ частинок не обмежується. На сьогоднішній день відомо понад 400 різних елементарних частинок. Спробуємо зрозуміти, чим елементарні частинки відрізняються одна від одної.

Існує безліч параметрів, якими можна відрізнити елементарні частинки один від одного:

• Маса.
• Електричний заряд.
• Час життя. Багато елементарні частинки мають кінцевий час життя після якого вони розпадаються.
• Спін. Його можна, дуже приблизно вважати як обертальний момент.

Ще кілька параметрів або як їх прийнято називати в науці квантових чисел. Ці параметри не завжди мають зрозуміле фізичне значення, але вони потрібні для того, щоб відрізняти одні частинки від інших. Всі ці додаткові параметри введені як деякі величини, що зберігаються у взаємодії.

Масу мають майже всі частинки, крім фотони і нейтрино (за останніми даними нейтрино мають масу, але настільки малу, що часто її вважають банкрутом). Без масових частинок можуть існувати тільки в русі. Маса у всіх частинок різна. Мінімальною масою, крім нейтрино, має електрон. Частинки, які називаються мезонами, мають масу в 300-400 разів більшу масу електрона, протон і нейтрон майже в 2000 разів важчі за електрон. Зараз уже відкриті частинки, які майже у 100 разів важчі за протон. Маса, (або її енергетичний еквівалент за формулою Ейнштейна:

зберігається у всіх взаємодіях елементарних частинок.

Електричний заряд мають не всі частинки, а значить що не всі частинки здатні брати участь в електромагнітній взаємодії. У всіх вільно існуючих частинок електричний зарядкратний заряду електрона. Крім вільно існуючих частинок існують також частинки, що перебувають лише у пов'язаному стані, про них ми скажемо трохи пізніше.

Спин, як і інші квантові числа, у різних частинок різні і характеризують їх унікальність. Деякі квантові числа зберігаються в одних взаємодіях, деякі в інших. Всі ці квантові числа визначають те, які частинки взаємодіють із якими і як.

Час життя також дуже важлива характеристикачастинки та її ми розглянемо найбільш докладно. Почнемо із зауваження. Як ми вже сказали на початку статті – все, що нас оточує, складається з атомів (електронів, протонів і нейтронів) і світла (фотонів). А де ж тоді ще сотні різних видівелементарних частинок. Відповідь проста - всюди навколо нас, але ми не помічаємо з двох причин.

Перша з них - майже всі інші частинки живуть дуже мало, приблизно 10 мінус 10 ступеня секунд і менше, і тому не утворюють таких структур як атоми, кристалічні решітки і т.п. Друга причина стосується нейтрино, ці частинки хоч і не розпадаються, але вони схильні лише до слабкої та гравітаційної взаємодії. Це означає, що ці частинки взаємодіють на стільки незначно, що виявити майже неможливо.

Уявимо наочно у чому виражається те, наскільки частка добре взаємодіємо. Наприклад, потік електронів можна зупинити досить тонким листом сталі, близько кількох міліметрів. Це станеться тому, що електрони відразу почнуть взаємодіяти з частинками листа сталі, різко змінюватимуть свій напрямок, випромінюватиме фотони, і таким чином досить швидко втратить енергію. З потоком нейтрино все негаразд, вони майже без взаємодій можуть пройти наскрізь Земної Кулі. І тому виявити їх дуже важко.

Отже, більшість частинок живуть дуже короткий час, після якого вона розпадаються. Розпади частинок - реакції, що найчастіше зустрічаються. В результаті розпаду одна частка розпадається на кілька інших меншої маси, а ті в свою чергу розпадаються далі. Усі розпади підкоряються певним правилам- Законам збереження. Так, наприклад, в результаті розпаду повинен зберігатися електричний заряд, маса, спин та ще ряд квантових чисел. Деякі квантові числа під час розпаду можуть змінюватися, але також підкоряючись певним правилам. Саме правила розпаду говорять нам про те, що електрон та протон це стабільні частинки. Вони не можуть розпадаються підкоряючись правилам розпаду, і тому саме ними закінчуються ланцюжки розпаду.

Тут хочеться сказати кілька слів про нейтрон. Вільний нейтрон теж розпадається, на протон та електрон приблизно за 15 хвилин. Однак, коли нейтрон знаходиться в атомному ядрі, це не відбувається. Цей факт можна пояснити у різний спосіб. Наприклад так, коли в ядрі атома з'являється електрон і зайвий протон від нейтрону, що розпався, то тут же відбувається зворотна реакція - один з протонів поглинає електрон і перетворюється на нейтрон. Така картина називається динамічною рівновагою. Вона спостерігалася у всесвіті на ранній стадії її розвитку невдовзі після великого вибуху.

Окрім реакцій розпаду є ще реакції розсіювання – коли дві або більше частинок вступають у взаємодію одночасно, і в результаті виходить одна або декілька інших частинок. Також є реакції поглинання, коли із двох або більше частинок виходить одна. Всі реакції відбуваються в результаті сильної слабкої або електромагнітної взаємодії. Реакції, що йдуть за рахунок сильної взаємодії, йдуть найшвидше, час такої реакції може досягати 10 мінус 20 секунд. Швидкість реакцій що йдуть з допомогою електромагнітного взаємодії нижче, тут час то, можливо порядку 10 мінус 8 секунди. Для реакцій слабкої взаємодії час може досягати десятків секунд, а іноді й роки.

На завершення розповіді про частинки розповімо про кварки. Кварки - це елементарні частинки, що мають електричний заряд кратний третини заряду електрона і які не можуть існувати у вільному стані. Їх Взаємодія влаштовано так, що вони можуть жити лише у складі чогось. Наприклад, комбінація з трьох кварків певного типу утворюють протон. Інша комбінація дає нейтрон. Усього відомо 6 кварків. Їхні різні комбінації дають нам різні частинки, і хоча далеко не всі комбінації кварків дозволені фізичними законами, частинок, складених з кварків досить багато.

Тут може виникнути питання, як можна протон називати елементарним, якщо він складається з кварків. Дуже просто – протон елементарний, тому що його неможливо розщепити на складові – кварки. Усі частинки, які беруть участь у сильній взаємодії складаються з кварків, і є елементарними.

Розуміння взаємодій елементарних частинок дуже важливе розуміння устрою всесвіту. Все, що відбувається з макро тілами є результатом взаємодії частинок. Саме взаємодією частинок описуються зростання дерев на землі, реакції в надрах зірок, випромінювання нейтронних зірок та багато іншого.

Імовірності та квантова механіка

>

Розміри та маси атомів малі. Радіус атомів становить 10 -10 м, а радіус ядра - 10 -15 м. Маса атома визначається розподілом маси одного моль атомів елемента на число атомів в 1 моль (NA = 6,02 · 10 23 моль -1). Маса атомів змінюється не більше 10 -27 ~ 10 -25 кг. Зазвичай масу атомів виражають атомних одиницях маси (а.е.м.). За а.е.м. прийнято 1/12 маси атома ізотопу вуглецю 12 С.

Основними характеристиками атома є заряд його ядра (Z) та масове число (А). Число електронів в атомі дорівнює заряду його ядра. Властивості атомів визначаються зарядом їх ядер, числом електронів та його станом в атомі.

Основні властивості та будова ядра (теорія складу атомних ядер)

1. Ядра атомів всіх елементів (за винятком водню) складаються з протонів та нейтронів.

2. Число протонів у ядрі визначає значення його позитивного заряду (Z). Z- Порядковий номер хімічного елемента в періодичній системі Менделєєва.

3. Сумарне число протонів і нейтронів - значення його маси, оскільки маса атома переважно зосереджена в ядрі (99, 97% маси атома). Ядерні частинки - протони та нейтрони - об'єднуються під загальною назвою нуклони(Від латинського слова nucleus, що означає "ядро"). Загальна кількість нуклонів відповідає - масовому числу, тобто. округленою до цілого числа його атомної маси А.

Ядра з однаковими Z, але різними Аназиваються ізотопами. Ядра, які за однакового Амають різні Z, називаються ізобарами. Всього відомо близько 300 стійких ізотопів хімічних елементів та понад 2000 природних та штучно отриманих радіоактивних ізотопів.

4. Число нейтронів у ядрі Nможе бути знайдено по різниці між масовим числом ( А) та порядковим номером ( Z):

5. Розмір ядра характеризується радіусом ядра, що мають умовний зміст через розмитість кордону ядра.

Щільність ядерної речовини становить по порядку величини 1017 кг/м 3 і постійна для всіх ядер. Вона значно перевищує щільність найщільніших звичайних речовин.

Протонно-нейтронна теорія дозволила вирішити суперечності, що виникли раніше, у уявленнях про склад атомних ядер і про його зв'язок з порядковим номером і атомною масою.

Енергія зв'язку ядравизначається величиною тієї роботи, яку потрібно зробити, щоб розщепити ядро ​​на нуклони, що його складають, без надання їм кінетичної енергії. Із закону збереження енергії випливає, що при утворенні ядра повинна виділятися така ж енергія, яку потрібно витратити при розщепленні ядра на його нуклони. Енергія зв'язку ядра є різницею між енергією всіх вільних нуклонів, що становлять ядро, та їх енергією в ядрі.

При утворенні ядра відбувається зменшення його маси: маса ядра менша, ніж сума мас його нуклонів. Зменшення маси ядра за його утворення пояснюється виділенням енергії зв'язку. Якщо Wсв- величина енергії, що виділяється при утворенні ядра, то відповідна їй маса Dm, що дорівнює

називається дефектом масиі характеризує зменшення сумарної маси при утворенні ядра з його складових нуклонів. Однією атомній одиниці маси відповідає атомна одиниця енергії(А.Є.Е.): А.Е.Е. = 931,5016 МеВ.

Питомою енергією зв'язку ядра wназивається енергія зв'язку, що припадає на один нуклон: wсв= . Величина wсвсоставляет в середньому 8 МеВ/нуклон. У міру збільшення числа нуклонів у ядрі питома енергія зв'язку зменшується.

Критерієм стійкості атомних ядерє співвідношення між числом протонів та нейтронів у стійкому ядрі для даних ізобарів. ( А= Const).

Ядерні сили

1. Ядерне взаємодія свідчить у тому, що у ядрах існують особливі ядерні сили, що не зводяться до жодного з типів сил, відомих у класичній фізиці (гравітаційних та електромагнітних).

2. Ядерні сили є короткодіючими силами. Вони виявляються лише на дуже малих відстанях між нуклонами в ядрі порядку 10-15 м. Довжина (1,5?2,2)10-15 називається радіусом дії ядерних сил.

3. Ядерні сили виявляють зарядову незалежність: тяжіння між двома нуклонами однаково незалежно від зарядового стану нуклонів - протонного або нуклонного. Зарядова незалежність ядерних сил видно з порівняння енергій зв'язку в дзеркальних ядрах. Так називаються ядра, в яких однаково загальна кількість нуклонів, але число протонів в одному дорівнює числу нейтронів в іншому. Наприклад, ядра гелію важкого водню тритію - .

4. Ядерні сили мають властивість насичення, яке проявляється в тому, що нуклон в ядрі взаємодіє лише з обмеженою кількістю найближчих до нього сусідніх нуклонів. Саме тому спостерігається лінійна залежність енергій зв'язку ядер від своїх масових чисел (А). Практично повне насичення ядерних сил досягається у a-частинки, яка є дуже стійкою освітою.

Радіоактивність, g-випромінювання, a та b - розпад

1.Радіоактивністюназивається перетворення нестійких ізотопів одного хімічного елемента на ізотопи іншого елемента, що супроводжується випромінюванням елементарних частинок, ядер або жорсткого рентгенівського випромінювання. Природною радіоактивністюназивається радіоактивність, що спостерігається у існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністюназивається радіоактивність ізотопів, одержаних у результаті ядерних реакцій.

2. Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випромінюванням гамма-випромінювання - жорсткого, короткохвильового електрохвильового випромінювання. Гамма-випромінювання є основною формою зменшення енергії збуджених продуктів радіоактивних перетворень. Ядро, що зазнає радіоактивного розпаду, називається материнським; виникає дочірнєядро, зазвичай, виявляється збудженим, та її перехід у основний стан супроводжується випромінюванням g-фотона.

3. Альфа-розпадомназивається випромінювання ядрами деяких хімічних елементів a - частинок. Альфа-розпад є властивістю важких ядер з масовими числами А>200 та зарядами ядер Z>82. Усередині таких ядер відбувається утворення відокремлених a-часток, що складаються з двох протонів і двох нейтронів, тобто. утворюється атом елемента, зміщеного в таблиці періодичної системиелементів Д.І. Менделєєва (ПСЕ) на дві клітинки вліво від вихідного радіоактивного елемента з масовим числом меншим не 4 одиниці(Правило Содді - Фаянса):

4. Терміном бета-розпад позначають три типи ядерних перетворень: електронний(b-) та позитронний(b+) розпади, а також електронне захоплення.

b-розпад відбувається переважно у порівняно багатих нейтронами ядер. При цьому нейтрон ядра розпадається на протон, електрон та антинейтрино () з нульовим зарядом та масою.

При b-розпаді масове число ізотопу не змінюється, так як загальна кількість протонів і нейтронів зберігається, а заряд збільшується на 1. атом хімічного елемента, що утворився, зміщується ПСЕ на одну клітинку вправо від вихідного елемента, а його масове число не змінюється(Правило Содді - Фаянса):

b+- розпад відбувається переважно у відносно багатих протонами ядер. У цьому протон ядра розпадається на нейтрон, позитрон і нейтрино ().

.

При b+- розпаді масове число ізотопу не змінюється, оскільки загальна кількість протонів і нейтронів зберігається, а заряд зменшується на 1. атом хімічного елемента, що утворився, зміщується ПСЕ на одну клітинку вліво від вихідного елемента, а його масове число не змінюється(Правило Содді - Фаянса):

5. У разі електронного захоплення перетворення полягає в тому, що зникає один з електронів у найближчому шарі до ядра. Протон, перетворюючись на нейтрон, хіба що “захоплює” електрон; звідси відбувся термін ”електронне захоплення”. Електронний захоплення на відміну b-захоплення супроводжується характеристичним рентгенівським випромінюванням.

6. b-розпад відбувається у природно-радіоактивних, а також штучно-радіоактивних ядер; b+-розпад характерний лише явища штучної радіоактивності.

7. g-випромінювання: при збудженні ядро ​​атома випускає електромагнітне випромінювання з малою довжиною хвилі та високою частотою, що має більшу жорсткість і проникаючу здатність, ніж рентгенівське випромінювання. В результаті енергія ядра зменшується, а масове число та заряд ядра залишаються не низькими. Тому перетворення хімічного елемента на інший немає, а ядро ​​атома перетворюється на менш збуджений стан.

Атом - це найменша частка хімічного елемента, що зберігає його хімічні властивості. Атом складається з ядра, що має позитивний електричний заряд, та негативно заряджених електронів. Заряд ядра будь-якого хімічного елемента дорівнює добутку Z на e де Z - порядковий номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів, е - величина елементарного електричного заряду.

Електрон- це дрібна частка речовини з негативним електричним зарядом е=1,6·10 -19 кулона, прийнятим за елементарний електричний заряд. Електрони, обертаючись навколо ядра, розташовуються на електронних оболонках, L, М і т. д. К - оболонка, найближча до ядра. Розмір атома визначається розміром його електронної оболонки. Атом може втрачати електрони та ставати позитивним іоном або приєднувати електрони та ставати негативним іоном. Заряд іона визначає кількість втрачених чи приєднаних електронів. Процес перетворення нейтрального атома на заряджений іон називається іонізацією.

Атомне ядро(Центральна частина атома) складається з елементарних ядерних частинок - протонів і нейтронів. Радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менший за радіус атома. Щільність атомного ядра дуже велика. Протони- це стабільні елементарні частинки, мають одиничний позитивний електричний заряд і масу, в 1836 разів більшу, ніж маса електрона. Протон є ядро ​​атома найлегшого елемента - водню. Число протонів в ядрі дорівнює Z. Нейтрон- це нейтральна (яка не має електричного заряду) елементарна частка з масою, дуже близькою до маси протона. Оскільки маса ядра складається з маси протонів і нейтронів, число нейтронів в ядрі атома дорівнює А - Z, де А - масове число даного ізотопу (див. ). Протон і нейтрон, що входять до складу ядра, називаються нуклонами. У ядрі нуклони пов'язані особливими ядерними силами.

В атомному ядрі є величезний запас енергії, що вивільняється при ядерних реакціях. Ядерні реакції виникають при взаємодії атомних ядер з елементарними частинками або ядрами інших елементів. Внаслідок ядерних реакцій утворюються нові ядра. Наприклад, нейтрон може переходити у протон. І тут з ядра викидається бета-частка, т. е. електрон.

Перехід у ядрі протона в нейтрон може здійснюватися двома шляхами: або з ядра випускається частка з масою, що дорівнює масі електрона, але з позитивним зарядом, звана позитрон (позитронний розпад), або ядро ​​захоплює один з електронів з найближчої до нього К-оболонки (К -захоплення).

Іноді ядро, що утворилося, має надлишок енергії (перебуває в збудженому стані) і, переходячи в нормальний станвиділяє зайву енергію у вигляді електромагнітного випромінюванняз дуже малою довжиною хвилі - . Енергія, що виділяється при ядерних реакціях, практично використовують у різних галузях промисловості.

Атом (грец. atomos - неподільний) найменша частка хімічного елемента, що має його хімічні властивості. Кожен елемент складається з атомів певного виду. До складу атома входять ядро, що несе позитивний електричний заряд, і негативно заряджені електрони, що утворюють його електронні оболонки. Величина електричного заряду ядра дорівнює Z-e, де е - елементарний електричний заряд, що дорівнює за величиною заряду електрона (4,8·10 -10 ел.-ст. од.), і Z - атомний номер даного елемента в періодичній системі хімічних елементів (см .). Так як неіонізований атом нейтральний, то число електронів, що входять до нього, також дорівнює Z. До складу ядра (див. Ядро атомне) входять нуклони, елементарні частинки з масою приблизно в 1840 разів більшої маси електрона (рівною 9,1 · 10 - 28 г), протони (див.), позитивно заряджені, і не мають заряду нейтрони (див.). Число нуклонів в ядрі називається масовим числом і позначається буквою А. Кількість протонів в ядрі, що дорівнює Z, визначає число електронів, що входять в атом, будова електронних оболонок і хімічні властивості атома. Кількість нейтронів у ядрі дорівнює А-Z. Ізотопами називаються різновиди одного й того самого елемента, атоми яких відрізняються один від одного масовим числом А, але мають однакові Z. Таким чином, в ядрах атомів різних ізотопів одного елемента є різне число нейтронів при однаковій кількості протонів. При позначенні ізотопів масове число записується А зверху від символу елемента, а атомний номер внизу; наприклад, ізотопи кисню позначаються:

Розміри атома визначаються розмірами електронних оболонок і становлять для Z величину порядку 10 -8 см. Оскільки маса всіх електронів атома в кілька тисяч разів менше маси ядра, маса атома пропорційна масовому числу. Відносна маса атома даного ізотопу визначається по відношенню до маси атома ізотопу вуглецю З 12 прийнятої за 12 одиниць, і називається ізотопною масою. Вона виявляється близькою до масового числа відповідного ізотопу. Відносна вага атома хімічного елемента є середнє (з урахуванням відносної поширеності ізотопів даного елемента) значення ізотопної ваги і називається атомною вагою (масою).

Атом є мікроскопічною системою, та її будову та властивості можна пояснити лише з допомогою квантової теорії, створеної переважно у 20-ті роки 20 століття і призначеної для описи явищ атомного масштабу. Досліди показали, що мікрочастинки - електрони, протони, атоми і т. д., крім корпускулярних, мають хвильові властивості, що виявляються в дифракції та інтерференції. У квантовій теорії для опису стану мікрооб'єктів використовується деяке хвильове поле, яке характеризується хвильовою функцією (Ψ-функція). Ця функція визначає ймовірність можливих станів мікрооб'єкта, тобто характеризує потенційні можливості прояву тих чи інших його властивостей. Закон зміни функції Ψ у просторі та часі (рівняння Шредінгера), що дозволяє знайти цю функцію, грає в квантовій теорії ту саму роль, що у класичній механіці закони руху Ньютона. Рішення рівняння Шредінгера у багатьох випадках призводить до дискретних можливих станів системи. Приміром, у разі атома виходить ряд хвильових функцій для електронів, відповідних різним (квантованим) значенням енергії. Система енергетичних рівнів атома, розрахована методами квантової теорії, отримала блискуче підтвердження спектроскопії. Перехід атома з основного стану, що відповідає нижчому енергетичному рівню Е 0 в будь-який зі збуджених станів E i відбувається при поглинанні певної порції енергії Е i - Е 0 . Збуджений атом перетворюється на менш збуджений або основний стан зазвичай з випромінюванням фотона. При цьому енергія фотона hv дорівнює різниці енергій атома в двох станах: hv = E i - Е k де h - Постійна Планка (6,62 · 10 -27 ерг · сек), v - Частота світла.

Крім атомних спектрів, квантова теорія дозволила пояснити інші властивості атомів. Зокрема, були пояснені валентність, природа хімічного зв'язкута будову молекул, створено теорію періодичної системи елементів.