vhodAtome delimo na protone, nevtrone in elektrone. Poglavje ii Struktura atomov in periodični zakon
Kot smo že omenili, je atom sestavljen iz treh vrst elementarnih delcev: protonov, nevtronov in elektronov. Atomsko jedro je osrednji del atoma, sestavljen iz protonov in nevtronov. Protoni in nevtroni imajo splošno ime nukleon, v jedru se lahko preoblikujejo drug v drugega. Jedro najpreprostejšega atoma - atoma vodika - je sestavljeno iz enega elementarnega delca - protona.
Premer atomskega jedra je približno 10-13 - 10-12 cm in je 0,0001 premera atoma. Vendar je skoraj vsa masa atoma (99,95-99,98%) koncentrirana v jedru. Če bi bilo mogoče dobiti 1 cm3 čiste jedrske snovi, bi bila njegova masa 100-200 milijonov ton. Masa jedra atoma je nekaj tisočkrat večja od mase vseh elektronov, ki sestavljajo atom.
Proton- elementarni delec, jedro vodikovega atoma. Masa protona je 1,6721 x 10-27 kg, je 1836-krat večja od mase elektrona. Električni naboj je pozitiven in je enak 1,66 x 10-19 C. Obesek je enota električnega naboja, ki je enaka količini električne energije, ki preide skozi prerez prevodnika v času 1 s pri konstantni jakosti toka 1 A (amper).
Vsak atom katerega koli elementa vsebuje določeno število protonov v jedru. To število je konstantno za dani element in določa njegovo fizično in Kemijske lastnosti... To pomeni, da je število protonov odvisno od tega, s katerim kemičnim elementom imamo opravka. Na primer, če je en proton v jedru vodik, če je 26 protonov železo. Število protonov v atomskem jedru določa jedrski naboj (številka naboja Z) in redno številko elementa v periodnem sistemu D.I. Mendelejev (atomsko število elementa).
Nevtron- električno nevtralen delec z maso 1,6749 x 10-27 kg, 1839-kratnik mase elektrona. Nevron v prostem stanju je nestabilen delec, ki se neodvisno spremeni v proton z emisijo elektrona in antinevtrina. Razpolovna doba nevtronov (čas, v katerem razpade polovica prvotnega števila nevtronov) je približno 12 minut. Vendar pa v vezano stanje znotraj stabilnih atomskih jeder je stabilen. Skupno število nukleonov (protonov in nevtronov) v jedru se imenuje masno število (atomska masa - A). Število nevtronov, ki sestavljajo jedro, je enako razliki med masnim in nabojnim številom: N = A - Z.
elektron- elementarni delec, nosilec najmanjše mase - 0,91095x10-27g in najmanjši električni naboj - 1,6021x10-19 C. Je negativno nabit delec. Število elektronov v atomu je enako številu protonov v jedru, t.j. atom je električno nevtralen.
pozitron- elementarni delec s pozitivnim električnim nabojem, antidelec glede na elektron. Masa elektrona in pozitrona sta enaki, električni naboji pa so enaki po absolutni vrednosti, vendar nasprotni po predznaku.
Različne vrste jeder se imenujejo nuklidi. Nuklid je vrsta atomov z določenim številom protonov in nevtronov. V naravi obstajajo atomi istega elementa z različno atomsko maso (masnim številom):
, Cl itd. Jedra teh atomov vsebujejo enako število protonov, vendar različno število nevtronov. Različnost atomov istega elementa, ki imajo enak naboj jeder, vendar različno masno število, se imenujejo izotopi
... Izotopi imajo enako število protonov, vendar se razlikujejo po številu nevtronov, imajo enako strukturo elektronskih lupin, t.j. zelo podobne kemične lastnosti in zasedajo isto mesto v periodnem sistemu kemični elementi.
Označeni so s simbolom ustreznega kemičnega elementa z indeksom A, ki se nahaja zgoraj levo - masno število, včasih je tudi število protonov (Z) spodaj levo. Na primer, radioaktivni izotopi fosforja so označeni kot 32P, 33P oziroma P oziroma P. Pri označevanju izotopa brez navedbe simbola elementa je masno število navedeno po oznaki elementa, na primer fosfor - 32, fosfor - 33.
Večina kemičnih elementov ima več izotopov. Poleg izotopa vodika 1H-protij sta znana težki vodikov 2H-devterij in supertežki vodik 3H-tritij. Uran ima 11 izotopov, v naravnih spojinah so trije (uran 238, uran 235, uran 233). Vsak ima 92 protonov oziroma 146,143 oziroma 141 nevtronov.
Trenutno je znanih več kot 1900 izotopov 108 kemičnih elementov. Od tega so vsi stabilni (približno 280) in naravni izotopi, ki so del radioaktivnih družin (teh je 46), naravni. Ostali so umetni, pridobljeni so umetno kot posledica različnih jedrskih reakcij.
Izraz "izotopi" je treba uporabiti le, če gre za atome istega elementa, na primer ogljika 12C in 14C. Če so mišljeni atomi različnih kemičnih elementov, je priporočljivo uporabiti izraz "nuklidi", na primer radionuklide 90Sr, 131J, 137Cs.
In sestavite tudi elektronsko formulo. To zahteva samo periodni sistem kemičnih elementov D.I. Mendelejeva, ki je obvezen referenčni material.
D.I. Mendelejev je razdeljen na skupine (ki se nahajajo navpično), od katerih jih je le osem, pa tudi na obdobja, ki se nahajajo vodoravno. Vsaka ima svoj rednik in sorodnik atomska masa, kar je navedeno v vsaki periodni tabeli. Količina protoni(p) in elektronov (e) številčno sovpada z redno številko elementa. Za določitev števila nevtroni(n) od relativne atomske mase (Ar) je treba odšteti število kemičnega elementa.
Primer št. 1. Izračunajte znesek protoni, elektroni in nevtroni atom kemičnega elementa št. 7. Kemični element št. 7 je dušik (N). Najprej določite količino protoni(R). Če je serijska številka 7, bo 7 protoni... Glede na to, da to število sovpada s številom negativno nabitih delcev, bo elektronov (ē) tudi 7. Za določitev števila nevtroni(n) od relativne atomske mase (Ar (N) = 14) odštejemo zaporedno številko dušika (št. 7). Zato je 14 - 7 = 7. Na splošno so vse informacije videti takole: p = +7; ē = -7; n = 14-7 = 7.
Primer št. 2. Izračunajte količino protoni, elektroni in nevtroni atom kemičnega elementa številka 20. Kemični element številka 20 je kalcij (Ca). Najprej določite količino protoni(R). Če je serijska številka 20, bo torej 20 protoni... Če vemo, da to število sovpada s številom negativno nabitih delcev, pomeni, da bo tudi elektronov (ē) 20. Za določitev števila nevtroni(n) od relativne atomske mase (Ar (Ca) = 40) odštejemo zaporedno številko (št. 20). Zato je 40 - 20 = 20. Na splošno so vse informacije videti takole: p = +20; ē = -20; n = 40-20 = 20.
Primer št. 3. Izračunajte količino protoni, elektroni in nevtroni atom kemičnega elementa številka 33. Kemični element številka 33 je arzen (As). Najprej določite količino protoni(R). Če je serijska številka 33, bo 33. Glede na to, da to število sovpada s številom negativno nabitih delcev, bo elektronov (ē) tudi 33. Za določitev števila nevtroni(n) od relativne atomske mase (Ar (As) = 75) odštejemo zaporedno številko dušika (št. 33). Zato je 75 - 33 = 42. Na splošno so vse informacije videti takole: p = +33; ē = -33; n = 75 -33 = 42.
Opomba
Relativna atomska masa, ki jo je v tabeli navedel D.I. Mendelejeva, je treba zaokrožiti na najbližje celo število.
Viri:
- proton in nevtroni sestavljajo odgovor
Bučko odstavimo, da se ohladi. Dovolj ena in pol do dve minuti. V nasprotnem primeru nastane netopna oborina.
Nalijte vodo po steni in z njo sperite lijak. Stresite, dokler se ne zmeša, po potrebi segrejte bučko.
Sestavite, pritrdite sprejemnik. V sprejemnik dajte 10 ml 0,01 N. raztopina žveplove kisline. Dodajte eno ali dve kapljici metilrota. Ko združite vse sestavine, pritrdite črpalko za vodni curek na sprejemnik.
Po desetih minutah prenehajte z destilacijo. Zaprite pipo za vodni curek, odprite pokrov sprejemnika, sperite žveplova kislina od konca hladilne cevi. Zamenjajte z drugim sprejemnikom z enako prostornino 0,01 N. raztopino žveplove kisline, naredite drugo destilacijo.
Zaključek: 1 ml 0,01 N. žveplova kislina ali natrijev hidroksid ustreza 0,14 mg.
Razlika med količino žveplove kisline, dane v sprejemnik, in količino natrijevega hidroksida, odvzetega med titracijo, proizvedeno za 0,14 mg, je enaka količini preostalega dušika v testu 1 ml krvi. Če želite prikazati količino dušika v -, jo je treba pomnožiti s 100.
Valence je sposobnost kemičnih elementov, da zadržijo določeno število atomov drugih elementov. Hkrati je to število vezi, ki jih tvori dani atom z drugimi atomi. Določanje valence je precej preprosto.
Navodila
Upoštevajte, da je valenca atomov nekaterih elementov konstantna, medtem ko so drugi spremenljivi, kar pomeni, da se nagiba k spremembi. Na primer, vodik v vseh spojinah je enovalenten, saj tvori samo eno. Kisik je sposoben tvoriti dve vezi, hkrati pa je dvovalenten. Lahko pa ima II, IV ali VI. Vse je odvisno od elementa, s katerim se povezuje. Tako je žveplo element s spremenljivo valenco.
Upoštevajte, da je zelo enostavno izračunati valenco v molekulah vodikovih spojin. Vodik je vedno enovalenten in ta indikator za element, povezan z njim, bo enak številu vodikovih atomov v dani molekuli. Na primer, kalcij v CaH2 bo dvovalenten.
Ne pozabite na glavno pravilo za določanje valence: zmnožek valenčnega indeksa atoma elementa in števila njegovih atomov v kateri koli molekuli, produkta valenčnega indeksa atoma drugega elementa in števila njegovih atomov v dano molekulo.
Poglejte črkovno formulo, ki označuje to enakost: V1 x K1 = V2 x K2, kjer je V valenca atomov elementov, K pa število atomov v molekuli. Z njegovo pomočjo je enostavno določiti valenčni indeks katerega koli elementa, če so znani preostali podatki.
Razmislite o primeru molekule žveplovega oksida SO2. Kisik v vseh spojinah je dvovalenten, zato, če zamenjamo vrednosti v razmerju: Voxygen x Kisik = Vžveplo x Xera, dobimo: 2 x 2 = Vžveplo x 2. Od tu naprej Vžveplo = 4/2 = 2. Tako je Valenca žvepla v tej molekuli je 2.
Povezani videoposnetki
elektron Je najlažji električno nabit delec, ki sodeluje pri skoraj vseh električnih pojavih. Zaradi majhne mase je najbolj vključen v razvoj kvantne mehanike. Ti hitri delci so našli široko uporabo na področju sodobne znanosti in tehnologije.
Beseda ἤλεκτρον je grška. Prav to je dalo ime elektronu. To se prevaja kot "jantar". V časih so grški naravoslovci izvajali različne poskuse, ki so bili sestavljeni iz koščkov jantarja v volni, ki so nato začeli privlačiti različne majhne predmete. elektron Om je negativno nabit delec, ki je ena od osnovnih enot, ki sestavljajo strukturo snovi. elektron ny lupine atomov so sestavljeni iz elektronov, njihov položaj in število pa določata kemijske lastnosti snovi Število elektronov v atomih različnih snovi je razvidno iz tabele kemičnih elementov, ki jo je sestavil D.I. Mendelejev. Število protonov v jedru atoma je vedno enako številu elektronov, ki bi morali biti v elektronski lupini atoma dane snovi. elektron Okoli jedra se vrtijo z ogromno hitrostjo in zato niso "na" jedru. To je jasno primerljivo z Luno, ki ne pade, kljub temu, da jo Zemlja privlači.Sodobni koncepti fizike delcev kažejo na brezstrukturnost in nedeljivost. Gibanje teh delcev v polprevodnikih olajša prenos in nadzor energije. Ta lastnost je povsod prisotna v elektroniki, domu, industriji in komunikacijah. Kljub temu, da je hitrost gibanja elektronov v prevodnikih zelo majhna, se lahko električno polje širi s svetlobno hitrostjo. Zahvaljujoč temu se tok v celotnem krogu vzpostavi takoj. elektron Poleg korpuskularnih imajo tudi valovne lastnosti. Sodelujejo v gravitacijskih, šibkih in elektromagnetnih interakcijah. Stabilnost elektrona izhaja iz zakonov energije in ohranjanja naboja. Ta delec je najlažji od nabitih in zato ne more razpadti v nič. Razpad na lažje delce po zakonu ohranjanja naboja, na težje delce pa zakon o ohranjanju energije prepoveduje. O točnosti, s katero je izpolnjen zakon o ohranitvi naboja, lahko sodimo po tem, da elektron vsaj deset let ne izgubi naboja.
Povezani videoposnetki
Uvod
Trenutno obstoječa teorija zgradbe atoma ne daje odgovora na številna vprašanja, ki se pojavljajo pri različnih praktičnih in eksperimentalnih delih. Zlasti fizična narava električnega upora še ni bila določena. Iskanje visokotemperaturne superprevodnosti je lahko uspešno le, če poznate bistvo električnega upora. Če poznate strukturo atoma, lahko razumete bistvo električnega upora. Razmislite o strukturi atoma, pri čemer upoštevajte znane lastnosti nabojev in magnetnih polj. Planetarni model atoma, ki ga je predlagal Rutherford, je najbližji realnosti in ustreza eksperimentalnim podatkom. Vendar ta model ustreza le atomu vodika.
PRVO POGLAVJE
PROTON IN ELEKTRON
1. VODIK
Vodik je najmanjši atom, zato mora njegov atom vsebovati stabilno bazo tako za atom vodika kot za ostale atome. Atom vodika je proton in elektron, medtem ko se elektron vrti okoli protona. Menijo, da sta naboja elektrona in protona enotna naboja, torej minimalna. Koncept elektrona kot vrtinčnega obroča s spremenljivim polmerom je predstavil V.F.Mitkevich (L. 1). Naknadno delo Wuja in nekaterih drugih fizikov je pokazalo, da se elektron obnaša kot vrteči se vrtinčni obroč, katerega vrtenje je usmerjeno vzdolž osi njegovega gibanja, torej je bilo eksperimentalno potrjeno dejstvo, da je elektron vrtinčni obroč. V mirovanju elektron, ki se vrti okoli svoje osi, ne ustvarja magnetnih polj. Samo pri gibanju elektron tvori magnetne črte sile.
Če je naboj protona razporejen po površini, se bo, ko se vrti s protonom, vrtel okoli svoje lastne osi. V tem primeru, tako kot elektron, naboj protona ne bo tvoril magnetnega polja.
Eksperimentalno je bilo ugotovljeno, da ima proton magnetno polje. Da bi imel proton magnetno polje, mora biti njegov naboj v obliki pike na njegovi površini. V tem primeru, ko se proton vrti, se bo njegov naboj premikal v krogu, torej imel linearno hitrost, ki je potrebna za pridobitev magnetnega polja protona.
Poleg elektrona obstaja še pozitron, ki se od elektrona razlikuje le po tem, da je njegov naboj pozitiven, se pravi, da je naboj pozitrona enak naboju protona tako po predznaku kot po velikosti. Z drugimi besedami, pozitivni naboj protona je pozitron, pozitron pa je antidelec elektrona in zato vrtinčni obroč, ki se ne more razširiti po celotni površini protona. Tako je naboj protona pozitron.
Ko se elektron z negativnim nabojem premika, mora biti pozitron protona pod delovanjem Coulombovih sil na površini protona na najmanjši razdalji od elektrona (slika 1). Tako nastane par nasprotnih nabojev, ki so med seboj povezani z največjo Coulombovo silo. Ravno zato, ker je naboj protona pozitron, je njegov naboj po absolutni vrednosti enak elektronu. Ko celoten naboj protona interagira z nabojem elektrona, potem ni "dodatnega" naboja protona, ki bi ustvaril električne odbojne sile med protoni.
Ko se elektron giblje okoli protona v smeri, prikazani na sl. 1 se pozitivni naboj giblje sinhrono z njim zaradi Coulombove sile. Premikajoči se naboji tvorijo okoli sebe magnetna polja (slika 1). V tem primeru se okoli elektrona oblikuje magnetno polje v nasprotni smeri urinega kazalca, okoli pozitrona pa magnetno polje v smeri urinega kazalca. Posledično se med naboji oblikuje skupno polje dveh nabojev, kar preprečuje, da bi elektron padel na proton.
Na vseh slikah so protoni in nevtroni zaradi preprostosti prikazani kot kroglice. V resnici bi morali biti v obliki toroidnih vrtinčnih tvorb etra (L. 3).
Tako ima atom vodika obliko po sl. 2 a). Oblika magnetnega polja pri atomu ustreza toroidnemu magnetu z magnetizacijo vzdolž osi vrtenja nabojev (slika 2). b).
Leta 1820 je Ampere odkril interakcijo tokov - privlačnost vzporednih prevodnikov s tokom, ki teče v eni smeri. Kasneje je bilo eksperimentalno ugotovljeno, da se istoimenski električni naboji, ki se gibljejo v eno smer, med seboj privlačijo (L. 2).
Da bi se naboji morali približati drug drugemu, torej privlačiti, dokazuje tudi učinek ščipa. Učinek ščipa je učinek samozoženja razelektritve, lastnost kanala električnega toka v stisljivem prevodnem mediju, da zmanjša svoj presek pod delovanjem lastnega magnetnega polja, ki ga ustvarja sam tok (L. 4).
Ker je električni tok vsako urejeno gibanje električnih nabojev v prostoru, so trajektorije elektronov in pozitronov protonov tokovni kanali, ki se lahko približajo pod delovanjem magnetnega polja, ki ga ustvarjajo naboji sami.
Posledično, ko se dva atoma vodika združita v molekulo, se isti naboji združijo v pare in se bodo še naprej vrteli v isti smeri, vendar med protoni, kar bo vodilo do poenotenja njunih polj.
Konvergenca elektronov in protonov poteka do trenutka, ko odbojna sila istih nabojev postane enaka sili, ki vleče naboje iz dvojnega magnetnega polja.
Na sl. 3 a), b), in v) prikazuje interakcijo nabojev elektrona in protona vodikovih atomov, ko sta združena v molekulo vodika.
Na sl. Slika 4 prikazuje molekulo vodika z magnetnimi poljskimi linijami, ki jih ustvarjajo generatorji polja dveh atomov vodika. To pomeni, da ima molekula vodika en generator dvojnega polja in skupni magnetni tok, ki je 2-krat večji.
Preučili smo, kako se vodik združuje v molekulo, vendar molekula vodika ne reagira z drugimi elementi niti v zmesi s kisikom.
Zdaj pa razmislimo, kako pride do ločitve molekule vodika na atome (slika 5). Ko molekula vodika interagira z elektromagnetnim valom, elektron pridobi dodatno energijo, kar pripelje elektrone na orbitalne poti (slika 5 G).
Danes poznamo superprevodnike, ki imajo ničelni električni upor. Ti prevodniki so sestavljeni iz atomov in so lahko superprevodniki le, če so njihovi atomi superprevodniki, torej tudi proton. Levitacija superprevodnika nad trajnim magnetom je že dolgo znana zaradi indukcije toka s stalnim magnetom v njem, katerega magnetno polje je usmerjeno proti polju trajnega magneta. Ko se zunanje polje odstrani iz superprevodnika, tok v njem izgine. Interakcija protonov z elektromagnetnim valom vodi do dejstva, da se na njihovih površinah inducirajo vrtinčni tokovi. Ker se protoni nahajajo drug ob drugem, vrtinčni tokovi usmerjajo magnetna polja drug proti drugemu, kar povečuje tokove in njihova polja, dokler se molekula vodika ne razbije na atome (slika 5). G).
Izstop elektronov na orbitalnih trajektorijah in pojav tokov, ki razbijejo molekulo, se pojavita hkrati. Ko atomi vodika odletijo drug od drugega, vrtinčni tokovi izginejo, elektroni pa ostanejo na orbitalnih trajektorijah.
Tako smo na podlagi znanih fizikalnih učinkov dobili model vodikovega atoma. pri čemer:
1. Pozitivni in negativni naboji v atomu služijo za pridobivanje silnih linij magnetnih polj, ki, kot je znano iz klasične fizike, nastanejo šele, ko se naboji premikajo. Silne linije magnetnih polj določajo vse znotrajatomske, medatomske in molekularne vezi.
2. Celoten pozitivni naboj protona - pozitrona - deluje v interakciji z nabojem elektrona, ustvarja največjo Coulombovo privlačno silo za elektron, enakost nabojev v absolutni vrednosti pa izključuje prisotnost odbojnih sil za sosednje protone. za proton.
3. V praksi je atom vodika proton-elektron magnetni generator (PEMG), ki deluje le takrat, ko sta proton in elektron skupaj, torej mora biti par proton-elektron vedno skupaj.
4. Ko nastane molekula vodika, elektroni združiti in zasukati skupaj med atomi, ustvarja skupno magnetno polje, ki jih drži skupaj. Protonski pozitroni se prav tako združijo pod vplivom svojih magnetnih polj in vlečejo skupaj protone in tvorijo molekulo vodika ali katero koli drugo molekulo. Parni pozitivni naboji so glavna odločilna sila pri molekularni vezi, saj so pozitroni neposredno povezani s protoni in so neločljivi od protonov.
5. Molekularne vezi vseh elementov se pojavljajo na podoben način. Povezavo atomov v molekule drugih elementov zagotavljajo valenčni protoni s svojimi elektroni, torej valenčni elektroni sodelujejo tako pri združevanju atomov v molekule kot pri lomljenju molekularnih vezi. Tako vsako povezavo atomov v molekuli zagotavlja en valenčni par protona z elektronom (VPPE) iz vsakega atoma za eno molekularno vez. VPPE je vedno sestavljen iz protona in elektrona.
6. Ko je molekularna vez prekinjena glavno vlogo elektron se igra, ker, ko vstopi v orbitalno trajektorijo okoli svojega protona, potegne protonski pozitron iz para med protoni na "ekvator" protona, s čimer zagotovi prekinitev molekularne vezi.
7. Pri nastajanju molekule vodika in molekul drugih elementov nastane dvojni PEMG.
- Prevod
V središču vsakega atoma je jedro, drobna zbirka delcev, imenovanih protoni in nevtroni. V tem članku bomo preučevali naravo protonov in nevtronov, ki so sestavljeni iz še manjših delcev – kvarkov, gluonov in antikvarkov. (Gluoni, tako kot fotoni, so sami sebi antidelci). Kvarki in gluoni so, kolikor vemo, lahko resnično elementarni (nedeljivi in niso sestavljeni iz nič manjšega). A njim kasneje.
Presenetljivo je, da imajo protoni in nevtroni skoraj enako maso - na odstotek:
- 0,93827 GeV / c 2 za proton,
- 0,93957 GeV / c 2 za nevtron.
Ker so si tako podobni in ker ti delci sestavljajo jedra, se protoni in nevtroni pogosto imenujejo nukleoni.
Protone so identificirali in opisali okoli leta 1920 (čeprav so jih odkrili prej; jedro vodikovega atoma je samo en proton), nevtrone pa so našli nekje leta 1933. Dejstvo, da so si protoni in nevtroni tako podobni, je bilo skoraj takoj razumljeno. Toda dejstvo, da imajo merljivo velikost, primerljivo z velikostjo jedra (približno 100.000-krat manjše od atoma v polmeru), je bilo znano šele leta 1954. Da so sestavljeni iz kvarkov, antikvarkov in gluonov, so postopoma spoznali od sredine šestdesetih do sredine sedemdesetih let prejšnjega stoletja. Do poznih 70-ih in zgodnjih 80-ih je bilo naše razumevanje protonov, nevtronov in iz česa so sestavljeni v veliki meri ustalilo in je od takrat ostalo nespremenjeno.
Nukleone je veliko težje opisati kot atome ali jedra. Da ne rečem, da so atomi načeloma preprosti, toda vsaj nekdo lahko brez zadržkov reče, da je atom helija sestavljen iz dveh elektronov, ki krožita okoli drobnega helijevega jedra; helijevo jedro pa je dokaj preprosta skupina dveh nevtronov in dveh protonov. Z nukleoni pa ni več vse tako preprosto. Že v članku »Kaj je proton in kaj ima v sebi?« sem zapisal, da je atom kot eleganten menuet, nukleon pa kot divja zabava.
Zdi se, da je kompleksnost protona in nevtrona resnična in ne izvira iz nepopolnega fizičnega znanja. Imamo enačbe, ki se uporabljajo za opis kvarkov, antikvarkov in gluonov ter močnih jedrskih interakcij, ki se pojavljajo med njimi. Te enačbe se imenujejo QCD, iz "kvantne kromodinamike". Natančnost enačb je mogoče preizkusiti na različne načine, vključno z merjenjem števila delcev, ki se pojavijo na velikem hadronskem trkalniku. Če QCD enačbe nadomestimo z računalnikom in izvedemo izračune lastnosti protonov in nevtronov ter drugih podobnih delcev (skupaj imenovanih "hadroni"), dobimo napovedi lastnosti teh delcev, ki se zelo približajo opazovanim v resničnem svetu. Zato imamo razlog za domnevo, da enačbe QCD ne lažejo in da naše znanje o protonu in nevtronu temelji na pravilnih enačbah. Toda samo pravilne enačbe ni dovolj, ker:
- Enostavne enačbe imajo lahko zelo zapletene rešitve,
- Včasih je zapletenih rešitev nemogoče opisati na preprost način.
Zaradi intrinzične kompleksnosti nukleonov se boste morali vi, bralec, odločiti: koliko želite vedeti o opisani kompleksnosti? Ne glede na to, kako daleč boste šli, vam to najverjetneje ne bo prineslo zadovoljstva: več ko se boste učili, bolj vam bo tema postajala jasna, a končni odgovor bo ostal enak – proton in nevtron sta zelo zapletena. Ponudim vam lahko tri ravni razumevanja z vedno več podrobnostmi; po kateri koli stopnji se lahko ustavite in preidete na druge teme ali pa se potopite do zadnje. Za vsako stopnjo se porajajo vprašanja, odgovore na katere lahko delno dam v naslednji, a novi odgovori postavljajo nova vprašanja. Na koncu vas - tako kot v strokovnih razpravah s kolegi in naprednimi študenti - lahko napotim le na podatke, pridobljene z resničnimi eksperimenti, na različne vplivne teoretične argumente in računalniške simulacije.
Prva stopnja razumevanja
Iz česa so sestavljeni protoni in nevtroni?riž. 1: Preveč poenostavljena različica protonov, sestavljenih iz samo dveh kvarkov navzgor in enega navzdol, in nevtronov, sestavljenih samo iz dveh spodnjih kvarkov in enega navzgor
Da poenostavimo zadeve, številne knjige, članki in spletna mesta navajajo, da so protoni sestavljeni iz treh kvarkov (dva navzgor in eden navzdol) in narišejo nekaj podobnega sliki. 1. Nevtron je enak, sestavljen je le iz enega navzgor in dveh spodnjih kvarkov. Ta preprosta slika ponazarja, kaj so nekateri znanstveniki verjeli, predvsem v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Toda kmalu je postalo jasno, da je bilo to stališče preveč poenostavljeno do te mere, da ni več pravilno.
Iz bolj izpopolnjenih virov informacij boste izvedeli, da so protoni sestavljeni iz treh kvarkov (dva navzgor in eden navzdol), ki jih držijo skupaj gluoni - in slika, podobna sliki 1. 2, kjer so gluoni narisani v obliki vzmeti ali niti, ki držijo kvarke. Nevtroni so enaki, samo z enim gornjim kvarkom in dvema navzdolnjim kvarkom.
riž. 2: izboljšanje sl. 1 zaradi poudarka na pomembno vlogo močna jedrska sila, ki drži kvarke v protonu
Ni tako slab način opisovanja nukleonov, saj poudarja pomembno vlogo močne jedrske interakcije, ki zaradi gluonov zadrži kvarke v protonu (tako kot je foton povezan z elektromagnetno interakcijo, delcem, ki sestavlja svetlobo). Toda to je tudi zmedeno, ker v resnici ne razloži, kaj so gluoni in kaj počnejo.
Obstajajo razlogi, da nadaljujem in opišem stvari, kot sem jih naredil: proton je sestavljen iz treh kvarkov (dva navzgor in enega navzdol), množice gluonov in gore parov kvark-antikvark (večinoma gor in dol kvarkov). , pa je tudi nekaj čudnih) ... Vsi letijo sem ter tja z zelo velikimi hitrostmi (približujejo se svetlobni); ves ta sklop držijo skupaj močne jedrske sile. To sem pokazal na sl. 3. Nevtroni so spet isti, vendar z enim navzgor in dvema navzdol kvarkoma; kvark, ki je spremenil svojo pripadnost, je označen s puščico.
riž. 3: bolj realistična, čeprav še vedno nepopolna upodobitev protonov in nevtronov
Ti kvarki, antikvarki in gluoni ne le divje tečejo naprej in nazaj, ampak tudi trčijo drug v drugega in se spremenijo drug v drugega s procesi, kot je anihilacija delcev (v katerem se kvark in antikvark iste vrste spremenita v dva gluona ali vice). obratno) ali absorpcijo in emisijo gluona (pri kateri lahko kvark in gluon trčita in ustvarita kvark in dva gluona ali obratno).
Kaj imajo ti trije opisi skupnega:
- Dva zgornja kvarka in spodnji kvark (plus nekaj drugega) na protonu.
- En kvark navzgor in dva kvarka navzdol (plus nekaj drugega) za nevtron.
- "Nekaj drugega" za nevtrone sovpada z "nekaj drugega" za protone. To pomeni, da imajo nukleoni "nekaj drugega" enako.
- Majhna razlika v masi med protonom in nevtronom se pojavi zaradi razlike v masi spodnjega in zgornjega kvarka.
- zgornji kvarki imajo električni naboj enak 2/3 e (kjer je e naboj protona, -e je naboj elektrona),
- spodnji kvarki imajo naboj -1/3e,
- gluoni imajo naboj 0,
- kateri koli kvark in njegov ustrezni antikvark imata skupni naboj 0 (na primer, anti-nižji kvark ima naboj + 1 / 3e, tako da bosta nižji kvark in nižji antikvark imela naboj -1/3 e +1/3 e = 0),
- skupni električni naboj protona je 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e,
- skupni električni naboj nevtrona je 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0.
- koliko "nekaj drugega" je znotraj nukleona,
- kaj počne tam,
- od kod izvirata masa in energija mase (E = mc 2, tam prisotna energija, tudi ko delec miruje) nukleona.
riž. 1 kaže, da kvarki dejansko predstavljajo tretjino nukleona – podobno kot proton ali nevtron predstavljata četrtino jedra helija ali 1/12 ogljikovega jedra. Če bi bila ta številka resnična, bi se kvarki v nukleonu premikali relativno počasi (s hitrostmi, ki so veliko nižji od svetlobne hitrosti), med njimi pa bi delovale razmeroma šibke interakcije (čeprav z neko močno silo, ki jih drži na mestu). Masa kvarka, navzgor in navzdol, bi bila potem reda 0,3 GeV / c 2, približno tretjina mase protona. Toda ta preprosta podoba in ideje, ki ji jih vsiljuje, so preprosto napačne.
riž. 3. Daje popolnoma drugačno predstavo o protonu, kot kotlu delcev, ki se v njem premikajo s hitrostmi blizu svetlobe. Ti delci trčijo med seboj in pri teh trkih se nekateri izničijo, drugi pa nastanejo namesto njih. Gluoni nimajo mase, mase zgornjih kvarkov so reda 0,004 GeV / s 2, mase spodnjih pa so reda 0,008 GeV / s 2 - stokrat manjše od protona. Od kod izvira energija mase protona, vprašanje je zapleteno: del energije izvira iz energije mase kvarkov in antikvarkov, del energije gibanja kvarkov, antikvarkov in gluonov in del (morda pozitiven, verjetno negativno) iz energije, shranjene v močni jedrski interakciji, ki drži kvarke, antikvarke in gluone skupaj.
V nekem smislu, sl. 2 poskuša odpraviti razliko med sl. 1 in sl. 3. Poenostavi sl. 3, ki odstrani številne pare kvark-antikvark, ki jih načeloma lahko imenujemo efemerni, saj se nenehno pojavljajo in izginjajo in niso potrebni. Toda daje vtis, da so gluoni v nukleonih neposredni del močne jedrske sile, ki drži protone. In ne pojasnjuje, od kod izvira masa protona.
sl. 1 ima še eno pomanjkljivost, razen ozkih okvirjev protona in nevtrona. Ne pojasnjuje nekaterih lastnosti drugih hadronov, kot sta pion in ro-mezon. Podobne težave ima riž. 2.
Te omejitve so privedle do tega, da moji študenti in na svoji spletni strani dam sliko iz sl. 3. Želim pa vas opozoriti, da ima tudi veliko omejitev, ki jih bom upošteval kasneje.
Omeniti velja, da je izjemna kompleksnost strukture, ki jo nakazuje sl. 3, bi pričakovali od predmeta, ki ga skupaj drži tako močna sila, kot je močna jedrska sila. In še nekaj: tri kvarke (dva zgornja in en spodnji v protonu), ki niso del skupine parov kvarkov-antikvarkov, pogosto imenujemo "valenčni kvarki", pare kvarkov-antikvarkov pa "morje". parov kvarkov". Tak jezik je v mnogih primerih tehnično priročen. Toda daje napačen vtis, da če bi lahko pogledali v proton in pogledali določen kvark, bi lahko takoj ugotovili, ali je del morja ali valence. Tega ni mogoče storiti, takšnega načina preprosto ni.
Protonska masa in nevtronska masa
Ker sta si masi protona in nevtrona tako podobni in ker se proton in nevtron razlikujeta le v zamenjavi zgornjega kvarka s spodnjim kvarkom, se zdi verjetno, da sta njuni masi zagotovljeni na enak način, prihajata iz istega vira , njihova razlika pa je majhna razlika med kvarki navzgor in navzdol. Toda prikazane tri številke kažejo na prisotnost treh zelo različnih pogledov na izvor mase protonov.riž. 1 kaže, da sta kvarki navzgor in navzdol preprosto 1/3 mase protona in nevtrona: približno 0,313 GeV / s 2 ali zaradi energije, potrebne za zadrževanje kvarkov v protonu. In ker je razlika med maso protona in nevtrona delček odstotka, mora biti razlika med masama gornjega in spodnjega kvarka tudi delček odstotka.
riž. 2 je manj jasna. Kolikšen del mase protona je posledica gluonov? Toda načeloma iz slike sledi, da večina mase protona še vedno izvira iz mase kvarkov, kot je na sl. eno.
riž. 3 odraža bolj subtilen pristop k temu, kako dejansko izgleda masa protona (kar lahko preverimo neposredno z računalniškimi izračuni protona in posredno z drugimi matematičnimi metodami). Zelo se razlikuje od idej, predstavljenih na sl. 1 in 2, in se izkaže, da ni tako enostavno.
Da bi razumeli, kako to deluje, moramo razmišljati ne glede na maso protona m, ampak v smislu njegove masne energije E = mc 2, energije, povezane z maso. Konceptualno pravilno vprašanje ne bo "od kod izvira masa protona m", po katerem lahko izračunate E tako, da m pomnožite s c 2, ampak nasprotno: "od kod prihaja energija mase protona E", nakar lahko izračunate maso m tako, da E delite s c 2 ...
Prispevke k masni energiji protonov je koristno razvrstiti v tri skupine:
A) Masna energija (energija mirovanja) kvarkov in antikvarkov, ki jih vsebuje (gluoni, brezmasni delci, ne prispevajo nikakršnega prispevka).
B) Energija gibanja (kinetična energija) kvarkov, antikvarkov in gluonov.
C) Energija interakcije (vezna energija ali potencialna energija), shranjena v močnih jedrskih interakcijah (natančneje v gluonskih poljih), ki držijo proton.
riž. 3 kaže, da se delci znotraj protona premikajo z veliko hitrostjo in da je poln gluonov brez mase, zato je prispevek B) večji od A). Običajno sta v večini fizičnih sistemov B) in C) primerljiva, medtem ko je C) pogosto negativen. Tako se masna energija protona (in nevtrona) v glavnem pridobi iz kombinacije B) in C), A) pa prispeva majhen delež. Zato se mase protona in nevtrona pojavljajo predvsem ne zaradi mase delcev, ki jih vsebujejo, temveč zaradi energij gibanja teh delcev in energije njihove interakcije, povezane z gluonskimi polji, ki ustvarjajo sile, ki držijo proton. V večini drugih sistemov, ki jih poznamo, je energetska bilanca razporejena drugače. Na primer, v atomih in v sončnem sistemu A) prevladuje, B) in C) pa sta veliko manjša in sta primerljiva po velikosti.
Če povzamemo, poudarjamo, da:
- riž. 1 predvideva, da energija mase protona izhaja iz prispevka A).
- riž. 2 predvideva, da sta oba prispevka A) in C) pomembna, B) pa prispeva nekaj svojega deleža.
- riž. 3 predvideva, da sta B) in C) pomembna, prispevek A) pa se izkaže za nepomemben.
Če sl. 3 ne laže, masi kvarka in antikvarka sta zelo majhni. Kakšni so v resnici? Masa zgornjega kvarka (tako kot antikvark) ne presega 0,005 GeV / c 2, kar je veliko manj kot 0,313 GeV / c 2, kar izhaja iz sl. 1. (Maso vrhnjega kvarka je težko izmeriti, ta vrednost pa se zaradi subtilnih učinkov spreminja, zato se lahko izkaže, da je veliko manjša od 0,005 GeV / c 2). Masa spodnjega kvarka je približno 0,004 GeV / s 2 večja od mase up kvarka. To pomeni, da masa katerega koli kvarka ali antikvarka ne presega enega odstotka mase protona.
Upoštevajte, da to pomeni (v nasprotju s sliko 1), da razmerje med maso spodnjega in zgornjega kvarka ni blizu enote! Masa spodnjega kvarka je vsaj dvakrat večja od mase zgornjega kvarka. Razlog, da sta si masi nevtrona in protona tako podobni, ni v tem, da sta si podobni masi kvarkov navzgor in navzdol, ampak zato, ker sta masi kvarkov navzgor in navzdol zelo majhni - in razlika med njima je majhna, glede na masi protona in nevtrona. Ne pozabite, da morate za pretvorbo protona v nevtron samo enega od njegovih zgornjih kvarkov zamenjati s spodnjim (slika 3). Ta sprememba je dovolj, da postane nevtron nekoliko težji od protona in spremeni njegov naboj iz + e na 0.
Mimogrede, dejstvo, da različni delci znotraj protona trčijo med seboj ter se nenehno pojavljajo in izginjajo, ne vpliva na stvari, o katerih razpravljamo - energija se pri vsakem trku ohranja. Energija mase in energija gibanja kvarkov in gluonov se lahko spreminjata, pa tudi energija njihove interakcije, vendar se skupna energija protona ne spreminja, čeprav se vse v njem nenehno spreminja. Torej masa protona kljub njegovemu notranjemu vrtincu ostaja konstantna.
Na tej točki se lahko ustavite in absorbirate prejete informacije. Neverjetno! Skoraj vsa masa, ki jo vsebuje navadna snov, izvira iz mase nukleonov v atomih. In večina te mase izvira iz kaosa, ki je lasten protonu in nevtronu - iz energije gibanja kvarkov, gluonov in antikvarkov v nukleonih ter iz energije dela močnih jedrskih interakcij, ki ohranjajo nukleon v celotnem stanju. Da: naš planet, naša telesa, naše dihanje so posledica tako tihega in do nedavnega nepredstavljivega pretresa.
Vsa fizična telesa v naravi so zgrajena iz vrste snovi, imenovane materija. Snovi so razdeljene v dve glavni skupini - enostavne in zapletene snovi.
Kompleksne snovi so tiste snovi, ki jih lahko s kemičnimi reakcijami razgradimo v druge, enostavnejše snovi. V nasprotju s kompleksnimi so enostavne snovi tiste, ki jih ni mogoče kemično razgraditi v še enostavnejše snovi.
Primer kompleksne snovi je voda, ki jo lahko s kemično reakcijo razgradimo na dve drugi, enostavnejši snovi - vodik in kisik. Zadnji dve pa se ne da več kemično razgraditi na enostavnejše snovi, zato sta enostavni snovi ali, z drugimi besedami, kemični elementi.
V prvi polovici 19. stoletja je v znanosti obstajala predpostavka, da so kemični elementi nespremenljive snovi, ki med seboj nimajo skupne vezi. Vendar pa je ruski znanstvenik D.I.Mendeleev (1834 - 1907) prvič leta 1869 razkril povezavo kemičnih elementov in pokazal, da je kvalitativna lastnost vsakega od njih odvisna od njegove kvantitativne lastnosti - atomske teže.
Pri preučevanju lastnosti kemičnih elementov je DI Mendelejev opazil, da se njihove lastnosti občasno ponavljajo glede na njihovo atomsko težo. To periodičnost je prikazal v obliki tabele, ki je v znanost vstopila pod imenom "Mendelejev periodični sistem elementov".
Spodaj je sodobni periodični sistem Mendelejevih kemičnih elementov.
atomi
Po sodobnih konceptih znanosti je vsak kemični element sestavljen iz agregata najmanjših materialnih (materialnih) delcev, imenovanih atomi.
Atom je najmanjši del kemičnega elementa, ki ga ni več mogoče kemično razgraditi na druge, manjše in enostavnejše materialne delce.
Atomi kemičnih elementov različne narave se med seboj razlikujejo po svojih fizikalno-kemijskih lastnostih, zgradbi, velikosti, masi, atomski masi, lastni energiji in nekaterih drugih lastnostih. Na primer, atom vodika se po svojih lastnostih in strukturi močno razlikuje od atoma kisika, slednji pa od atoma urana itd.
Ugotovljeno je bilo, da so atomi kemičnih elementov izjemno majhni. Če običajno predpostavimo, da imajo atomi sferično obliko, potem morajo biti njihovi premeri enaki stomilijonskim frakcijam centimetra. Na primer, premer vodikovega atoma - najmanjšega atoma v naravi - je enak stomilijonki centimetra (10-8 cm), premer največjih atomov, kot je atom urana, pa ne presega treh sto milijonink centimetra (3 · 10 -8 cm). Posledično je atom vodika tolikokrat manjši od krogle s polmerom enega centimetra, kolikor je slednja manjša od globusa.
Zaradi zelo majhne velikosti atomov je zelo majhna tudi njihova masa. Na primer, masa vodikovega atoma je m = 1,67 · 10 -24 g. To pomeni, da en gram vodika vsebuje približno 6 · 10 23 atomov.
Za konvencionalno mersko enoto atomske mase kemičnih elementov se vzame 1/16 teže atoma kisika. V skladu s to atomsko maso kemičnega elementa se imenuje abstraktna številka, ki kaže, kolikokrat je teža danega kemičnega elementa je več kot 1/16 teže atoma kisika.
V periodična tabela elementov DI Mendelejeva, podane so atomske teže vseh kemičnih elementov (glej številko pod imenom elementa). Iz te tabele vidimo, da je najlažji atom vodikov atom, ki ima atomsko maso 1,008. Atomska teža ogljika je 12, kisika 16 itd.
Kar zadeva težje kemične elemente, je njihova atomska teža več kot dvestokrat večja od atomske teže vodika. Torej je atomski vert živega srebra 200,6, radija 226 itd. Višji kot je vrstni red števila, ki ga zaseda kemični element v periodnem sistemu elementov, večja je atomska teža.
Večina atomskih tež kemičnih elementov je izražena v ulomkih. To je do neke mere razloženo z dejstvom, da so takšni kemični elementi sestavljeni iz nabora koliko vrst atomov z različnimi atomskimi masami, vendar enakimi kemičnimi lastnostmi.
Kemični elementi, ki zasedajo eno število v periodnem sistemu elementov in imajo zato enake kemijske lastnosti, vendar različno atomsko maso, se imenujejo izotopi.
Izotopi najdemo v večini kemičnih elementov, ima dva izotopa, kalcij - štiri, cink - pet, kositer - enajst itd. Veliko izotopov je pridobljenih z umetnostjo, nekateri od njih so velikega praktičnega pomena.
Elementarni delci snovi
Dolgo časa je veljalo, da so atomi kemičnega elementa meja cepljivosti snovi, torej kot da so osnovni "gradniki" vesolja. Sodobna znanost zavrnil to hipotezo in ugotovil, da je atom katerega koli kemičnega elementa zbirka celo manjših materialnih delcev kot atom sam.
Po elektronski teoriji strukture snovi je atom katerega koli kemičnega elementa sistem, sestavljen iz osrednjega jedra, okoli katerega se vrtijo "elementarni" materialni delci, imenovani elektroni. Jedra atomov so po splošno sprejetih pogledih sestavljena iz niza "elementarnih" materialnih delcev - protonov in nevtronov.
Za razumevanje strukture atomov in fizikalno-kemijskih procesov v njih se je treba vsaj na kratko seznaniti z glavnimi značilnostmi elementarnih delcev, ki sestavljajo atome.
To je določil elektron je pravi delec z najmanjšim negativnim električnim nabojem, ki ga opazimo v naravi.
Če običajno predpostavimo, da ima elektron kot delec sferično obliko, mora biti premer elektrona enak 4 · 10 -13 cm, torej je deset tisočkrat manjši od premera katerega koli atoma.
Elektron, tako kot vsak drug materialni delec, ima maso. "Masa mirovanja" elektrona, to je masa, ki jo ima v stanju relativnega mirovanja, je enaka m o = 9,1 · 10 -28 g.
Izjemno majhna "masa mirovanja" elektrona kaže na to, da so inertne lastnosti elektrona izjemno šibke, kar pomeni, da lahko elektron pod vplivom spremenljive električne sile niha v prostoru s frekvenco več milijard obdobij na drugič.
Masa elektrona je tako majhna, da bi potrebovali 1027 enot, da bi dobili en gram elektronov. Da bi imeli vsaj fizično predstavo o tem ogromnem številu, bomo dali primer. Če bi en gram elektronov postavili v ravno črto blizu drug drugega, bi tvorili verigo, dolgo štiri milijarde kilometrov.
Masa elektrona, tako kot katerega koli drugega materialnega mikrodelca, je odvisna od hitrosti njegovega gibanja. Elektron, ki je v stanju relativnega mirovanja, ima "maso mirovanja" mehanske narave, kot masa katerega koli fizičnega telesa. Kar zadeva "maso gibanja" elektrona, ki narašča z rastjo hitrosti njegovega gibanja, je elektromagnetnega izvora. To je posledica prisotnosti elektromagnetnega polja v premikajočem se elektronu kot neke vrste snovi z maso in elektromagnetno energijo.
Hitreje kot se giblje elektron, bolj se kažejo inercialne lastnosti njegovega elektromagnetnega polja, večja je torej masa slednjega in s tem tudi njegova elektromagnetna energija. Ker elektron s svojim elektromagnetnim poljem tvori en sam, organsko povezan materialni sistem, je naravno, da lahko maso gibanja elektromagnetnega polja elektrona neposredno pripišemo elektronu samemu.
Elektron ima poleg lastnosti delca tudi valovne lastnosti. S poskusom je bilo ugotovljeno, da se tok elektronov, tako kot svetlobni tok, širi v obliki valovitega gibanja. Naravo valovnega gibanja elektronskega toka v vesolju potrjujejo pojavi interference in uklona elektronskih valov.
Elektronske motnje je fenomen superpozicije elektronskih oporok drug na drugega in difrakcija elektronov- to je pojav elektronskih valov, ki se upognejo okoli robov ozke reže, skozi katero prehaja elektronski žarek. Posledično elektron ni le delec, temveč »val delcev«, katerega dolžina je odvisna od mase in hitrosti elektrona.
Ugotovljeno je bilo, da elektron poleg translacijskega gibanja izvaja tudi rotacijsko gibanje okoli svoje osi. Ta vrsta gibanja elektrona se imenuje "spin" (iz angleška beseda"spin" - vreteno). Zaradi tega gibanja elektron poleg električnih lastnosti zaradi električnega naboja pridobi tudi magnetne lastnosti, ki v tem pogledu spominjajo na elementarni magnet.
Proton je resnični delec s pozitivnim električnim nabojem, ki je po absolutni vrednosti enak električnemu naboju elektrona.
Masa protona je 1,67 · 10-24 g, to je približno 1840-krat večja od "mase mirovanja" elektrona.
Za razliko od elektrona in protona, nevtron nima električnega naboja, torej je električno nevtralen »elementarni« delec snovi. Masa nevtrona je praktično enaka masi protona.
Elektroni, protoni in nevtroni, ki so v sestavi atomov, medsebojno delujejo. Zlasti se elektroni in protoni medsebojno privlačijo kot delci z nasprotnimi električnimi naboji. Hkrati se elektron iz elektrona in proton od protona odbijata kot delca z enakimi električnimi naboji.
Vsi ti električno nabiti delci medsebojno delujejo prek svojih električnih polj. Ta polja so posebna vrsta snovi, sestavljena iz zbirke elementarnih materialnih delcev, imenovanih fotoni. Vsak foton ima strogo določeno količino energije (energijski kvant), ki mu je lastna.
Interakcija električno nabitih delcev materiala se izvaja z izmenjavo fotonov med seboj. Silo interakcije električno nabitih delcev običajno imenujemo električna sila.
Med seboj medsebojno delujejo tudi nevtroni in protoni v jedrih atomov. Vendar se ta interakcija med njima ne izvaja več prek električnega polja, saj je nevtron električno nevtralen delec snovi, temveč skozi tako imenovano jedrsko polje.
To polje je tudi posebna vrsta snovi, sestavljena iz zbirke elementarnih materialnih delcev, imenovanih mezoni. Interakcija nevtronov in protonov se izvaja z izmenjavo mezonov med seboj. Sila interakcije nevtronov in protonov med seboj se imenuje jedrska sila.
Ugotovljeno je bilo, da jedrske sile delujejo v jedrih atomov na izjemno majhnih razdaljah - približno 10 - 13 cm.Jedrske sile po velikosti bistveno presegajo električne sile medsebojnega odbijanja protonov v jedru atoma. To vodi k dejstvu, da so sposobni ne le premagati sile medsebojnega odbijanja protonov znotraj jeder atomov, temveč tudi ustvariti zelo močne sisteme jeder iz celotnega števila protonov in nevtronov.
Stabilnost jedra vsakega atoma je odvisna od razmerja dveh nasprotujočih si sil - jedrske (vzajemna privlačnost protonov in nevtronov) in električne (vzajemno odbijanje protonov).
Močne jedrske sile, ki delujejo v jedrih atomov, prispevajo k preoblikovanju nevtronov in protonov drug v drugega. Te medsebojne pretvorbe nevtronov in protonov se izvajajo kot posledica njihovega sproščanja ali absorpcije lažjih elementarnih delcev, na primer mezonov.
Delce, ki smo jih obravnavali, imenujemo elementarni, ker niso sestavljeni iz zbirke drugih, več preprosti delci zadeva. Toda hkrati ne smemo pozabiti, da se lahko preoblikujejo drug v drugega, da nastanejo na račun drug drugega. Tako so ti delci neke kompleksne tvorbe, to pomeni, da je njihova osnovna narava pogojna.
Kemična zgradba atomov
Najpreprostejši atom v njegovi strukturi je atom vodika. Sestavljen je iz zbirke le dveh elementarnih delcev - protona in elektrona. Proton v sistemu vodikovega atoma igra vlogo osrednjega jedra, okoli katerega se po določeni orbiti vrti elektron. Na sl. 1 shematično prikazuje model vodikovega atoma.
riž. 1. Diagram zgradbe vodikovega atoma
Ta model je le grobi približek realnosti. Dejstvo je, da elektron kot "val delcev" nima prostornine, ki bi bila močno omejena od zunanjega okolja. In to pomeni, da ne bi smeli govoriti o neki natančni linearni orbiti elektrona, temveč o nekakšnem elektronskem oblaku. V tem primeru elektron najpogosteje zasede neko srednjo črto oblaka, ki je ena od njegovih možnih orbit v atomu.
Povedati je treba, da sama orbita elektrona v atomu ni strogo nespremenljiva in nepremična - zaradi spremembe mase elektrona tudi naredi nekaj rotacijskega gibanja. Posledično je gibanje elektrona v atomu relativno zapleteno. Ker imata jedro vodikovega atoma (protona) in elektron, ki se vrti okoli njega, nasprotna električna naboja, se medsebojno privlačita.
Hkrati s tem prosta energija elektrona, ki se vrti okoli jedra atoma, razvije centrifugalno silo, ki ga teži, da ga odstrani iz jedra. Posledično sta električna sila medsebojne privlačnosti jedra atoma in elektrona ter centrifugalna sila, ki delujeta na elektron, nasprotujoči si sili.
V ravnotežju njihov elektron zavzema relativno stabilen položaj v neki orbiti v atomu. Ker je masa elektrona zelo majhna, se mora, da bi uravnotežil silo privlačnosti jedra atoma, vrteti z ogromno hitrostjo, enako približno 6 · 10 15 vrtljajev na sekundo. To pomeni, da se elektron v sistemu atoma vodika, tako kot kateri koli drug atom, giblje po svoji orbiti z linearno hitrostjo, ki presega tisoč kilometrov na sekundo.
V normalnih pogojih se elektron vrti v atomu rodu vzdolž orbite, ki je najbližja jedru. Poleg tega ima najmanjšo možno količino energije. Če se iz takšnega ali drugačnega razloga na primer pod vplivom kakršnih koli drugih materialnih delcev, ki so vdrli v atomski sistem, elektron premakne na orbito, ki je bolj oddaljena od atoma, bo imel že nekoliko večjo količino energija.
Vendar elektron ostane v tej novi orbiti zanemarljiv čas, nato pa se spet zavrti v tirnico, ki je najbližja jedru atoma. Pri tem se odpove svoji presežni energiji v obliki kvanta magnetnega sevanja – sevalne energije (slika 2).
riž. 2. Elektron pri prehodu iz oddaljene orbite v tirnico, ki je bližje jedru atoma, odda kvant sevalne energije
Več energije kot prejme elektron od zunaj, bolj se premakne na tirnico, ki je oddaljena od jedra atoma, in večjo količino elektromagnetne energije odda, ko se vrti v tirnico, ki je najbližja jedru.
Z merjenjem količine energije, ki jo oddaja elektron med prehodom iz različnih orbit v tisto, ki je najbližje jedru atoma, je bilo mogoče ugotoviti, da je elektron v sistemu atoma vodika, tako kot v sistemu katerega koli drugega atoma, ne more iti v nobeno poljubno orbito, v strogo določeno v skladu s tisto energijo, ki jo prejme pod vplivom zunanje sile. Orbite, ki jih elektron lahko zasede v atomu, se imenujejo dovoljene orbite.
Ker sta pozitivni naboj jedra vodikovega atoma (naboj protona) in negativni naboj elektrona številčno enaka, je njun skupni naboj enak nič. To pomeni, da je atom vodika v svojem normalnem stanju električno nevtralen delec.
To velja za atome vseh kemičnih elementov: atom katerega koli kemičnega elementa v normalnem stanju je zaradi številčne enakosti njegovih pozitivnih in negativnih nabojev električno nevtralen delec.
Ker jedro vodikovega atoma vsebuje samo en "elementarni" delec - proton, je tako imenovano masno število tega jedra enako ena. Masno število jedra atoma katerega koli kemičnega elementa je skupno število protonov in nevtronov, ki sestavljajo to jedro.
Naravni vodik je večinoma sestavljen iz zbirke atomov z masnim številom, ki je enaka ena. Vsebuje pa tudi drugo vrsto vodikovih atomov z masnim številom, enakim dvema. Jedra teh težkih vodikovih atomov, imenovanih devteroni, so sestavljena iz dveh delcev - protona in nevtrona. Ta izotop vodika se imenuje devterij.
Naravni vodik vsebuje zelo majhne količine devterija. Na vsakih šest tisoč lahkih vodikovih atomov (masno število enako ena) obstaja le en atom devterija (težkega vodika). Obstaja še en izotop vodika - supertežki vodik, imenovan tritij. V jedrih atoma tega vodikovega izotopa so trije delci: proton in dva nevtrona, ki jih povezujejo jedrske sile. Masno število jedra tritijevega atoma je tri, to pomeni, da je tritijev atom trikrat težji od lahkega atoma vodika.
Čeprav imajo atomi vodikovih izotopov različne mase, imajo še vedno enake kemijske lastnosti.Lahki vodik na primer, ko vstopi v kemično interakcijo s kisikom, z njim tvori kompleksno snov - vodo. Podobno se izotop vodika, devterij, združi s kisikom in tvori vodo, ki se za razliko od navadne vode imenuje težka voda. Najdbe težke vode odlična aplikacija v procesu proizvodnje jedrske (atomske) energije.
Posledično kemijske lastnosti atomov niso odvisne od mase njihovih jeder, temveč le od strukture elektronske lupine atoma. Ker imajo atomi lahkega vodika, devterija in tritija enako število elektronov (po enega za vsak atom), imajo ti izotopi enake kemijske lastnosti.
Ni naključje, da kemični element vodik zaseda prvo številko v periodnem sistemu elementov. Dejstvo je, da obstaja neka povezava med številom katerega koli elementa v periodnem sistemu elementov in velikostjo naboja jedra atoma tega elementa. Lahko se formulira na naslednji način: Zaporedna številka katerega koli kemičnega elementa v periodičnem sistemu elementov je številčno enaka pozitivnemu naboju jedra tega elementa in posledično številu elektronov, ki se vrtijo okoli njega.
Ker vodik zaseda prvo število v periodnem sistemu elementov, to pomeni, da je pozitivni naboj jedra njegovega atoma enak enoti in da se en elektron vrti okoli jedra.
Kemični element helij je na drugem mestu v periodnem sistemu elementov. To pomeni, da ima pozitiven električni naboj jedra, enak dvema enotama, to pomeni, da mora njegovo jedro vsebovati dva protona, v elektronski lupini atoma pa dve elektrodi.
Naravni helij je sestavljen iz dveh izotopov - težkega in lahkega helija. Masno število težkega helija je štiri. To pomeni, da naj bi poleg omenjenih dveh protonov v sestavo jedra težkega atoma helija vstopila še dva nevtrona. Kar zadeva lahki helij, je njegovo masno število tri, to pomeni, da mora poleg dveh protonov v sestavo njegovega jedra vstopiti še en nevtron.
Ugotovljeno je bilo, da je v naravnem heliju število lahkih atomov helija približno ena milijoninka težkih genialnih atomov. Na sl. 3 prikazuje shematski model atoma helija.
riž. 3. Diagram zgradbe atoma helija
Nadaljnje zapletanje strukture atomov kemičnih elementov je posledica povečanja števila protonov in nevtronov v jedrih teh atomov in hkrati zaradi povečanja števila elektronov, ki se vrtijo okoli jeder (slika 4). Z uporabo periodičnega sistema elementov je enostavno določiti število elektronov, protonov in nevtronov, ki sestavljajo različne atome.
riž. 4. Sheme zgradbe atomskih jeder: 1 - helij, 2 - ogljik, 3 - kisik
Redna številka kemičnega elementa je enaka številu protonov v jedru atoma in hkrati s tem številu elektronov, ki se vrtijo okoli jedra. Kar zadeva atomsko težo, je približno enaka masnemu številu atoma, to je številu protonov in nevtronov skupaj v jedru. Torej, če od atomske teže elementa odštejemo število, ki je enako redni številki elementa, je mogoče ugotoviti, koliko nevtronov je v danem jedru.
Ugotovljeno je bilo, da se jedra lahkih kemičnih elementov, ki imajo v svoji sestavi enako število protonov in nevtronov, odlikujejo po zelo visoki trdnosti, saj so jedrske sile v njih razmeroma velike. Na primer, jedro atoma težkega helija je izjemno vzdržljivo, saj je sestavljeno iz dveh protonov in dveh nevtronov, ki jih povezujejo močne jedrske sile.
Jedra atomov težjih kemičnih elementov že vsebujejo v svoji sestavi neenako število protonov in nevtronov, zato je njihova vez v jedru šibkejša kot v jedrih lahkih kemičnih elementov. Jedra teh elementov se ob bombardiranju z atomskimi "projektili" (nevtroni, helijeva jedra itd.) razmeroma enostavno razdelijo.
Kar zadeva najtežje kemične elemente, zlasti radioaktivne, njihova jedra odlikuje tako nizka moč, da spontano razpadejo na svoje sestavne dele. Na primer, atomi radioaktivnega elementa radija, sestavljeni iz kombinacije 88 protonov in 138 nevtronov, spontano razpadejo in se spremenijo v atome radioaktivnega elementa radon. Atomi slednjih pa se razpadejo na svoje sestavne dele in preidejo v atome drugih elementov.
Ko smo se na kratko seznanili s sestavnimi deli jeder atomov kemičnih elementov, razmislimo o strukturi elektronskih lupin atomov. Kot veste, se lahko elektroni vrtijo okoli jeder atomov le v strogo določenih orbitah. Poleg tega so tako združeni v elektronski lupini vsakega atoma, da je mogoče razlikovati posamezne plasti elektronov.
Vsaka plast lahko vsebuje število elektronov, ki ne presegajo strogo določenega števila. Tako je na primer v prvi elektronski plasti, ki je najbližja jedru atoma, lahko največ dva elektrona, v drugi - največ osem elektronov itd.
Tisti atomi, v katerih so zunanje elektronske plasti popolnoma napolnjene, imajo najbolj stabilno elektronsko lupino. To pomeni, da dani atom trdno drži vse svoje elektrone in mu ni treba, da bi jih prejel od zunaj. Na primer, atom helija ima dva elektrona, ki popolnoma zapolnita prvo elektronsko plast, neonski atom pa deset elektronov, od katerih prva dva popolnoma zapolnita prvi elektronski sloj, ostali pa drugi (slika 5).
riž. 5. Diagram zgradbe atoma neona
Posledično imajo atomi helija in neona precej stabilne elektronske lupine, ne poskušajo jih na noben način kvantitativno spremeniti. Takšni elementi so kemično inertni, to pomeni, da ne vstopajo v kemično interakcijo z drugimi elementi.
Vendar ima večina kemičnih elementov atome, pri katerih zunanje elektronske plasti niso popolnoma napolnjene z elektroni. Na primer, atom kalija ima devetnajst elektronov, od tega osemnajst popolnoma zapolni prve tri plasti, devetnajsti elektron pa je v naslednji, nenapolnjeni elektronski plasti. Šibko polnjenje četrte elektronske plasti z elektroni vodi v dejstvo, da jedro atoma zelo šibko zadrži najbolj zunanji - devetnajsti elektron, zato je slednjega mogoče zlahka iztrgati iz atoma. ...
Ali na primer atom kisika ima osem elektronov, od katerih dva popolnoma zapolnita prvi sloj, preostalih šest pa se nahaja v drugi plasti. Tako ji za popolno dokončanje gradnje druge elektronske plasti v atomu kisika manjka le dva elektrona. Zato atom kisika ne le trdno drži svojih šest elektronov v drugi plasti, ampak ima tudi sposobnost, da k sebi pritegne dva manjkajoča elektrona, da zapolni svojo drugo elektronsko plast. To doseže s kemično kombinacijo z atomi takšnih elementov, pri katerih so zunanji elektroni šibko vezani na njihova jedra.
Kemični elementi, katerih atomi nimajo zunanjih elektronskih plasti, popolnoma napolnjenih z elektroni, so praviloma kemično aktivni, to pomeni, da voljno vstopajo v kemično interakcijo.
Torej so elektroni v atomih kemičnih elementov razporejeni v strogo določenem vrstnem redu in vsaka sprememba njihove prostorske razporeditve ali količine v elektronski lupini atoma vodi do spremembe fizikalno-kemijskih lastnosti slednjega.
Enakost števila elektronov in protonov v atomskem sistemu je razlog, da je njegov skupni električni naboj enak nič. Če je v sistemu atoma kršena enakost števila elektronov in protonov, potem atom postane električno nabit sistem.
Atom, v sistemu katerega je ravnotežje nasprotnih električnih nabojev porušeno zaradi dejstva, da je izgubil nekaj svojih elektronov ali, nasprotno, pridobil odvečno količino le-teh, se imenuje ion.
Nasprotno, če atom pridobi nekaj presežnega števila elektronov, potem postane negativni ion. Na primer, atom klora, ki prejme en dodaten elektron, se spremeni v enopolni negativni klorov ion Сl -. Atom kisika, ki je prejel dva dodatna elektrona, se spremeni v dvojno nabit negativni kisikov ion O itd.
Atom, ki se je spremenil v ion, postane električno nabit sistem glede na zunanje okolje. In to pomeni, da je atom začel posedovati električno polje, skupaj s katerim tvori en sam materialni sistem in preko tega polja izvaja električno interakcijo z drugimi električno nabitimi delci snovi - ioni, elektroni, pozitivno nabitimi jedri atomov itd. .
Sposobnost različnih ionov, da se medsebojno privlačijo, je razlog, da se kemično združujejo in tvorijo bolj zapletene delce snovi - molekule.
Za zaključek je treba opozoriti, da so dimenzije atoma zelo velike v primerjavi z dimenzijami tistih materialnih delcev, iz katerih so sestavljeni. Jedro najbolj kompleksnega atoma skupaj z vsemi elektroni zavzema milijardo volumna atoma. Preprost izračun pokaže, da če bi lahko en kubični meter platine stisnil tako tesno, da izginejo znotrajatomski in medatomski prostori, bi dobili prostornino, ki je enaka približno enemu kubičnemu milimetru.