Какой заряд ядра у. Большая энциклопедия нефти и газа

атомного ядра

и элементарных частиц

Глава 32

Элементы физики атомного ядра

§251. Размер, состав и заряд атомного ядра. Массовое и зарядовое числа

Э. Резерфорд, исследуя прохождение -частиц с энергией в несколько мегаэлектрон-вольт через тонкие пленки золота (см. §208), пришел к выводу о том, что атом состоит из положительно заряженно­го ядра и окружающих его электронов. Проанализировав эти опыты, Резерфорд также показал, что атомные ядра имеют размеры примерно 10 -1 4 -10 -1 5 м (ли­нейные размеры атома примерно 10 - 10 м).

Атомное ядро состоит из элементар­ных частиц - протонов и нейтронов (протонно-нейтронная модель ядра была пред­ложена советским физиком Д. Д. Иваненко (р. 1904), а впоследствии развита В. Гейзенбергом).

Протон (р) имеет положительный за­ряд, равный заряду электрона, и массу покоя m p =1,6726 10 -2 7 кг 1836m e , где m e - масса электрона. Нейтрон (n ) - нейтральная частица с массой покоя m n =1,6749 10 -2 7 кг 1839m e ,. Протоны и нейтроны называются нуклонами (от лат. nucleus - ядро). Общее число нукло­нов в атомном ядре называется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется заря­дом Ze, где е - заряд протона, Z - за­рядовое число ядра, равное числу про­тонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периоди­ческой системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z=1 до Z=107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: A Z Х, где X - символ химического элемента, Z - атом­ный номер (число протонов в ядре), А - массовое число (число нуклонов в ядре).

Сейчас протонно-нейтронная модель ядра не вызывает сомнений. Рассматривалась также гипотеза о протонно-электронном строении яд­ра, но она не выдержала экспериментальной проверки. Так, если придерживаться этой гипо­тезы, то массовое число А должно представлять собой число протонов в ядре, а разность между массовым числом и числом электронов должна быть равна заряду ядра. Эта модель согласовы­валась со значениями изотопных масс и за­рядов, но противоречила значениям спинов и магнитных моментов ядер, энергии связи ядра и т. д. Кроме того, она оказалась несовместимой с соотношением неопределенностей (см. §215). В результате гипотеза о протонно-электронном строении ядра была отвергнута.

Так как атом нейтрален, то заряд ядра определяет и число электронов в атоме. От числа же электронов зависит их распреде­ление по состояниям в атоме, от которого, в свою очередь, зависят химические свой­ства атома. Следовательно, заряд ядра определяет специфику данного химическо­го элемента, т. е. определяет число элек­тронов в атоме, конфигурацию их элек­тронных оболочек, величину и характер внутриатомного электрического поля.

Ядра с одинаковыми Z, но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N =

А - Z) называются изотопами, а ядра с одинаковыми A, но разными Z - изоба­рами. Например, водород (Z=1) имеет три изотопа: 1 1 Н - протий (Z=1, N=0), 2 1 Н - дейтерий (Z=1, N= 1), 3 1 Н - тритий (Z= 1, N= 2), олово - десять, и т. д. В по­давляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают одинаковыми химическими и по­чти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изо­топы водорода), определяющимися в ос­новном структурой электронных оболочек, которая является одинаковой для всех изотопов данного элемента. Примером ядер-изобар могут служить ядра 10 4 Be, 10 5 B, 10 6 C. В настоящее время известно бо­лее 2000 ядер, отличающихся либо Z, либо A, либо тем и другим.

Радиус ядра задается эмпирической формулой

R =R 0 A 1 / 3 , (251.1)

где R 0 =(1,3-1,7) 10 -1 5 м. Однако при употреблении этого термина необходимо соблюдать осторожность (из-за его неод­нозначности, например из-за размытости границы ядра). Из формулы (251.1) вы­текает, что объем ядра пропорционален числу нуклонов в ядре. Следовательно, плотность ядерного вещества примерно одинакова для всех ядер (10 17 кг/м 3).

Cтраница 1

Положительный заряд ядра атома, а также число электронов атома численно равны порядковому (атомному) номеру элемента. По мере увеличения атомного номера химические свойства элементов периодически повторяются.  

Положительные заряды ядра атома и отрицательные заряды электронов, взаимно уравновешивая друг друга, составляют атом.  

Положительный заряд ядра атома этого элемента, естественно, также равен 101 единице.  

Положительный заряд ядра атома численно равен его порядковому номеру в периодической системе. Таким образом, число электронов, равное числу положительных зарядов ядра атома, численно равно также порядковому номеру элемента.  

Положительные заряды ядер атомов аргона (18), калия (19), кобальта (27), никеля (28), теллура (52) и иода (53) точно совпали с порядковыми номерами этих элементов в таблице Менделеева.  

Величину положительного заряда ядра атома элемента определяют опытным путем. Наименьшее ее значение, равное единице, получено для водорода. Следовательно, вокруг ядра атома водорода вращается один электрон. Определены заряды ядер атомов и других элементов. Так, величина положительного заряда ядра атома магния 12; следовательно, вокруг его ядра вращается 12 электронов. Величина положительного заряда ядра атома фосфора 15; следовательно, вокруг его ядра вращается 15 электронов.  

Величину положительного заряда ядра атома элемента определяют опытным путем. Наименьшее ее значение, равное единице, получено для водорода. Следовательно, вокруг ядра атома водорода вращается один электрон. Определены заряды ядер атомов и других элементов. Так, величина положительного заряда ядра атома магния 12; следовательно, вокруг его ядра вращается 12 электронов.  

Чему равен положительный заряд ядра атома.  

С ростом положительного заряда ядра атомов в периоде растет способность их к присоединению электронов.  

Вертикальной чертой отделен положительный заряд ядра атома, а скобками условно обозначены отдельные электронные слои. Цифра перед скобкой указывает на количество электронов в данном слое.  

Вмалых периодахс ростом положительного заряда ядер атомов возрастает число электронов на внешнем уровне (от 1 до 2 - в первом периоде, и от 1 до 8 - во втором и третьем периодах), что объясняет изменение свойств элементов: в начале периода (кроме первого периода) находится щелочной металл, затем металл и - ческие свойства постепенно ослабевают и усиливаются свойства неметаллические.  

Таким образом, число положительных зарядов ядра каок-дого атома, а также число вращающихся вокруг ядра электро - нов равны порядковому номеру элемента.  

Тема 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

Строение атома

Основной объем учебного материала:

История развития учения о строении атома. Современные представления о строении атома. Состав атомных ядер. Заряд ядра атома элемента и массовое число. Изотопы. Естественные и искусственные химические элементы. Распространенность химических элементов в природе. Явление радиоактивности.

Электронное строение атомов. Состояние электрона в атоме. Электронное облако. Атомная электронная орбиталь. Энергетический уровень и подуровень. s-, p-, d- и f-орбитали в атоме. Энергетическая диаграмма атома. Правила заполнения электронами атомных орбиталей. Формулы электронных конфигураций атомов. Строение электронных оболочек атомов элементов первых четырех периодов ПСЭ.

В результате изучения темы учащиеся должны знать:

состав атомных ядер, понятия «изотопы» и «нуклиды»;

определения атомной орбитали, электронного облака, энергетического уровня, электронного слоя, энергетического подуровня;

число орбиталей и максимальное число электронов на различных энергетических уровнях и подуровнях;

порядок заполнения электронами в атомах различных энергетических уровней, подуровней и орбиталей одного подуровня;

элементы, атомы которых имеют завершенный внешний энергетический слой;

основное и возбужденное состояние атома.

В результате изучения темы учащиеся должны приобрести навыки:

расчета массовых чисел изотопов, числа элементарных частиц в атомах различных нуклидов.

записи схем ядерных реакций;

работы с системой квантовых чисел для определения максимального числа орбиталей и электронов на различных энергетических уровнях и подуровнях;

составления схем электронного строения, электронных и электронно-графических формул атомов элементов I–1V периодов;

классификации химических элементов (s-, p-, d- и f-элементы);

определения числа валентных электронов в атомах различных элементов;

составления электронных формул катионов и анионов;

прогнозирования возможности перехода атома в возбужденное состояние и узнавания электронных формул основного и возбужденного состояний атомов.

Изучив тему, учащиеся должны запомнить:

элементы, высшая валентность которых не равна номеру группы;

заряды и массы электрона, протона и нейтрона;

элементы IV периода, в атомах которых происходит «проскок” электрона с 4s- на 3d-подуровень.

Раздел 1. Протоны, нейтроны, электроны. Количественные соотношения между элементарными частицами атома. Изотопы. Изобары.
Понятие «химический элемент» с точки зрения строения атома.

Чему равны заряд ядра и число электронов в атомах следующих элементов: C, S, Cu, Ba, Ag?

Назовите элемент, в атоме которого содержится:

а) 11 протонов; б) 26 электронов.

Определите атомный номер и назовите элемент, если:

а) массовое число его нуклида равно 63, а количество нейтронов в ядре равно 34;

б) массовое число одного из его нуклидов 31, а число нейтронов в атоме 16.

а)в V периоде, в VI B группе (массовое число 96);

б) в IV периоде, в III А группе (массовое число 70);

а) в молекулах Cl 2 , NO 2 , H 3 PO 4 ; б) в ионах NO , NH .

Сколько протонов, нейтронов и электронов содержат следующие частицы:

He, Cu 2+ , H + , H, Cl – , 35 Cl 2 , 1 H 2 16 O, 14 N 1 H 3 , 12 C 16 O, 12 C 16 O 2 .

ТЕСТ 1. СТРОЕНИЕ АТОМА. ИЗОТОПЫ

	Заряд атома равен: а) нулю; б) порядковому номеру элемента; в) числу электронов; г) заряду ядра.
	Исключите «лишнее» понятие: а) протон; б) нейтрон; в) электрон; г) ион.
	Масса ядра атома приблизительно равна: а) сумме масс протонов и нейтронов; б) числу протонов; в) разности масс протонов и нейтронов; г) числу нейтронов.
	Массовое число атома: а) показывает относительную атомную массу элемента; б) показывает общее число протонов и нейтронов в ядре атома; в) соответствует заряду ядра; г) соответствует приблизительно массе атома в атомных единицах массы.
	Число электронов в атоме равно: а) числу нейтронов; б) числу протонов; в) номеру периода; г) номеру группы.
	Укажите массу атома, который состоит из 35 протонов, 45 нейтронов и 35 электронов: а) 35 а.е.м.; б) 115 а.е.м.; в) 80 а.е.м.; г) 70 а.е.м.
	Укажите число электронов в атоме бария: а)137; б) 56; в) 81; г) 193.
	В ядре атома какого элемента находится 14 протонов? а) кремния; б) хлора; в) алюминия; г) фосфора.
	В каком ряду указаны элементы в порядке увеличения числа протонов в ядрах их атомов? а) кислород, неон, алюминий, бериллий; б) сера, кальций, алюминий, хлор; в) скандий, хром, железо, никель; г) калий, аргон, кальций, титан.
	Изотопы данного элемента имеют: а) одинаковое число протонов в ядре; б) одинаковое число нейтронов в ядре; в) одинаковый порядковый номер в периодической системе элементов; г) одинаковое число электронов в атоме.
	Числа 35 и 17 в обозначении нуклида соответственно показывают: а) число протонов и нейтронов; б) массовое число и заряд ядра; в) число нейтронов и порядковый номер; г) общее число электронов и число валентных электронов.
	Укажите элемент, ядро атома которого содержит 26 протонов и 30 нейтронов: а) цинк; б) железо; в) барий; г) бериллий.
	Укажите, сколько нейтронов у изотопов : а) 20 и 20; б) 20 и 22; в) 22 и 22; г) 40 и 42.
	Число нейтронов в нуклидах 13 С, 17 О, 31 Р равно соответственно: а) 12, 8, 16; б) 6, 8, 15; в) 13, 17, 31; г) 7, 9, 16.
	Число протонов, нейтронов и электронов в атоме наиболее распространенного нуклида углерода соответственно равно: а) 6, 7, 12; б) 12, 12, 6; в) 6, 6, 6; г) 6, 8, 12.
	Ядро атома 3 Не состоит: а) из трех протонов; б) двух протонов и одного нейтрона; в) двух протонов и одного электрона; г) из одной a-частицы.
	В каком ряду расположены изотопы, у которых число нейтронов последовательно увеличивается на единицу? а) 7 Li, 9 Be, 13 C, 14 N; б) 38 Ar, 39 K, 4 Ar, 41 K; в) 7 Li, 9 Be, 12 C, 14 N; г) 35 Cl, 37 Cl, 38 Ar, 39 Ar.
	Сумма протонов, нейтронов и электронов в атоме 197 Аu равна: а) 79; б) 276; в) 118; г) 197.
	Суммы электронов и протонов в молекулах О 2 , СО 2 , СН 4 , С 6 Н 12 О 6 соответственно равны: а) 32, 20, 44, 180; б) 32, 44, 16, 180; в) 32, 44, 20, 192; г) 48, 66, 24, 186.
	Наиболее тяжелой частицей среди указанных ниже является: а) протон; б) нейтрон; в) атом дейтерия; г) атом протия.
	Число нейтронов в ядрах каждого из нуклидов 27 Э, 28 Э, 26 Э равно 14. Этими элементами являются соответственно: а) кремний, фосфор, алюминий; б) алюминий, магний, кремний; в) кремний, магний, алюминий; г) алюминий, кремний, магний.
	Какая частица имеет большее число протонов, чем электронов? а) атом натрия; б) сульфид-ион; в) атом серы; г) ион натрия.

Задачи

Вычислите массовую долю:

а) нейтронов в составе нуклида кислорода-18;

б) электронов в нуклиде меди-63;

в) протонов в составе атома гелия;

г) нейтронов и протонов в нуклидах 84 Kr и 17 О.

Рассчитайте число:

а) протонов в образце железа (56 Fe) массой 28 г;

б) нейтронов в образце 12 С 16 О объемом 2,24 л (н.у.);

в) электронов в образце массой 5,6 г, состоящем из нуклида 56 Fe;

г) нейтронов в 12 атомах нуклида 28 Al.

Определите массу (г):

а) протонов в образце кислорода объемом 4,48 л (н.у.);

б) всех электронов, содержащихся в образце алюминия массой 2,7 г.

Рассчитайте отношение числа нейтронов в составе нуклида хлор-35 к числу нейтронов в составе нуклида кислород-18.

Рассчитайте общее число всех элементарных частиц, которые содержатся в образце медь (II) оксида массой 3,0 г, имеющем в своем составе только нуклиды медь-64 и кислород-16.

Атом химического элемента содержит 34 нейтрона. Отношение числа нейтронов к числу протонов равно 1,17. Определите порядковый номер элемента.

В состав ядра атома химического элемента входит 30 нейтронов. Отношение числа протонов к числу нейтронов равно 0,867. Определите химический элемент.

Газообразное простое вещество Х объемом 2,24 л (н.у.) содержит 1,8 моль протонов. Его молекула двухатомна. Определите простое вещество.

Определите ионы по следующим данным:

а) в составе 0,1 моль ионов Х + содержится 1 моль электронов;

б) ион Х 2+ содержит 18 электронов;

в) в порции ионов Х – химическим количеством 0,2 моль содержатся электроны химическим количеством 3,6 моль.

В образце металла химическим количеством 0,1 моль химическое количество электронов равно 1,2 моль. Определите металл.

Ответы: 1. а) 55,6 %; б) 0,023 %; в) 50 %; г) 84 Kr: w(р) = 42,86 %; w(n) = 57,14 % и 17 О: w(р) = 47,06 %; w(n) = 52,94 %. 2. а) 7,826  10 24 ; б) 8,428  10 23 ; в) 1,56×10 24 ; г) 180. 3. а)3,2 г;
б) 6,5  10 –4 г. 4. 1,8. 5. N(n + p + e) = 2,64  10 24 . 6. 29. 7. Fe. 8. F 2 . 9. а) Na + ; б) Ca 2+ ; в) Cl – . 10. Mg.

Раздел 2. Явление радиоактивности. Ядерные реакции.
Период полураспада

Завершите уравнения ядерных реакций:

а) S + He =? + H б) N + n =? + p в) U + n =?

г)? = Np + ē д) Np =? + ē

ТЕСТ 2

	Изменение состава атомных ядер происходит: а) самопроизвольно у всех элементов; б) самопроизвольно у радиоактивных элементов; в) в реакциях ядерного деления и синтеза; г) в химических реакциях, относящихся по типу к реакциям разложения.
	Скорость радиоактивного распада характеризуется: а) отношением числа нейтронов к числу протонов; б) средним временем жизни протонов; в) относительной скоростью движения протонов и нейтронов в ядре; г) периодом полураспада ядер.
	Период полураспада нуклида равен двум годам. За какое время распадется 75 % ядер этого нуклида? а) 4 года; б) 3 года; в) 1, 5 года; г) 2 года и 8 месяцев.
Период полураспада нуклида Fe 55 равен 4 годам. Через сколько лет масса железа, взятого в виде указанного нуклида, равная 1 г, вследствие радиоактивного распада уменьшится до 62,5 мг? Период полураспада нуклида 131 I составляет 8 суток. Какое число атомов 131 I останется в образце иода-131 массой 800 мг через 40 суток? Период полураспада нуклида 131 I равен 8 суток. Какая доля атомов этого нуклида распадется через 24 суток? Период полураспада нуклида 210 Pb равен 19,4 года. Через сколько лет масса свинца, взятого в виде указанного нуклида, равная 2 г, вследствие радиоактивного распада уменьшится до 250 мг? В образце содержится 12,04 ´ 10 21 атомов нуклида цезий-137, имеющего период полураспада 30,2 года. Через какое время в образце останется 3,01 ´ 10 21 атомов 137 Cs? Какая масса алюминия-28 превратится в атомы другого химического элемента в результате радиоактивного распада за 11 мин в образце, содержащем 200 мг нуклида 28 Al, если период его полураспада равен 2,2 мин? Общая химия : учебно -тренировочные материалы химия : учебно -тренировочные материалы : учеб.-метод. пособие... Химия для заочных подготовительных курсов Документ ... Общая химия : учебно -тренировочные материалы : учеб.-метод. пособие/ Г.Э.Атрахимович и др.– Минск: БГМУ, 2007.– 164 с. Общая химия : учебно -тренировочные материалы ... 2008.– 124 с. Неорганическая химия : учебно -тренировочные материалы : учеб.-метод. пособие... С п и с о к научных и учебно–методических работ ассистента Экзаменационные вопросы Общая химия . Учебно -тренировочные материалы . Учебно Общая химия . Учебно -тренировочные материалы . Учебно С П И С О К научных и учебно–методических работ ассистента Экзаменационные вопросы Барченко., О.В.Ачинович., А.Р.Козел Общая химия . Учебно -тренировочные материалы . Учебно -методическое пособие. Минск, БГМУ, ... Козел., Г.Э.Артахимович.. С.Р.Казюлевич Общая химия . Учебно -тренировочные материалы . Учебно -методическое пособие. Минск, БГМУ, ...