Ядерные реакции

Свойства молекул

Молекулы, как правило, нейтральны и не имеют неспаренных электронов. Если молекула несет электрический заряд, она называется молекулярным ионом. Радикалы – молекулы с мультиплетностью, отличной от единицы, имеют неспаренные электроны и ненасыщенные валентности.

Особенности строения молекул непосредственно влияют на физические свойства вещества, состоящего из этих молекул.

Структура веществ

В твёрдом состоянии многие органические вещества и некоторые неорганические вещества, такие как вода и оксид углерода(IV), сохраняют молекулярную структуру. Такие вещества характеризуются низкими температурами плавления и кипения. В то время как большинство твёрдых кристаллических веществ состоят из ионов или атомов и образуют макротела.

Химические формулы

Состав молекул сложных веществ отображается при помощи химических формул, которые показывают, из каких атомов состоит молекула и как они связаны.

Классическая теория химического строения

В рамках классической теории химического строения молекула рассматривается как наименьшая стабильная частица вещества со всеми его химическими свойствами. Построение молекулы определяется валентными взаимодействиями между атомами, обеспечивающими стабильность и основные свойства в различных условиях. Такие взаимодействия не включают невалентные связи, такие как водородные.

Модель молекулы диборана

В заключении, понимание структуры и свойств молекул необходимо для понимания химических реакций и взаимодействий веществ. Современные теории строения молекул являются основой для изучения химии и физики на атомарном и молекулярном уровне.

Классическая теория химической связи

Центральным положением классической теории является положение о химической связи. В этой теории учитывается не только наличие двухцентровых связей между парами атомов, но также многоцентровые связи с мостиковыми атомами. Примером таких связей могут служить мостиковые атомы водорода в боранах. Природа химической связи в классической теории не рассматривается детально, учитываются лишь интегральные характеристики, такие как валентные углы, диэдральные углы, длины связей и их энергии.

Молекулярная динамика

Молекула в классической теории рассматривается как динамическая система, где атомы представляются как материальные точки. Атомы и связанные группы атомов могут совершать механические вращательные и колебательные движения относительно равновесной ядерной конфигурации, соответствующей минимуму энергии молекулы. Молекула рассматривается как система гармонических осцилляторов.

Структура молекулы

Молекула состоит из атомов, атомных ядер, внутренних и внешних электронов, образующих химические связи. Химические связи обычно формируются парами электронов, находящихся в совместном владении двух атомов. Молекула может содержать как положительно, так и отрицательно заряженные атомы.

Химические формулы

Состав молекулы передается химическими формулами. Эмпирическая формула устанавливается на основе атомного соотношения элементов вещества и молекулярной массы.

Геометрия молекулы

Геометрическая структура молекулы определяется равновесным расположением атомных ядер. Энергия взаимодействия атомов зависит от расстояния между ядрами. На больших расстояниях энергия взаимодействия равна нулю. При сближении атомов образуется химическая связь, что приводит к сильному притяжению атомов. Дальнейшее сближение вызывает возникновение электростатических сил отталкивания атомных ядер. Невозможность совмещения внутренних электронных оболочек также является препятствием к сильному сближению атомов.

Каждому атому в определённом валентном состоянии в молекуле можно приписать определенный атомный или ковалентный радиус (в случае ионной связи — ионный радиус), который характеризует размеры электронной оболочки атома (иона) образующего химическую связь в молекуле. Размер электронной оболочки молекулы является условной величиной.

Существует вероятность (хотя и очень малая) найти электроны молекулы и на большем расстоянии от её атомного ядра.

Практические размеры молекулы определяются равновесным расстоянием, на которое они могут быть сближены при плотной упаковке молекул в молекулярном кристалле и в жидкости.

Определение размеров молекул

На больших расстояниях молекулы притягиваются друг к другу, на меньших — отталкиваются. Длины связей в молекуле и ее размеры можно определить с помощью рентгеноструктурного анализа молекулярных кристаллов.

Порядок величины этих размеров может быть определен из коэффициентов диффузии, теплопроводности и вязкости газов и с плотности вещества в конденсированном состоянии.

Ван-дер-ваальсовы радиусы

Радиус Ван-дер-Ваальса существенно превышает ковалентный. Зная величины ван-дер-ваальсовых, ковалентных и ионных радиусов, можно построить наглядные модели молекул, которые бы отражали форму и размеры их электронных оболочек.

Геометрия и симметрия молекул

Ковалентные химические связи в молекуле расположены под определенными углами, которые зависят от состояния гибридизации атомных орбиталей.

Для молекул насыщенных органических соединений характерно тетраэдральное (четырёхгранное) расположение связей, для молекул с двойной связью () — плоское расположение атомов углерода, для молекул соединений с тройной связью () — линейное расположение связей.

Молекула характеризуется той или иной симметрией расположения атомов. Если молекула не имеет плоскости и центра симметрии, то она может существовать в двух конфигурациях, представляя собой зеркальные отражения друг друга (зеркальные антиподы).

Конформационные свойства молекул

Молекулы, содержащие одинарные связи (сигма-связи), не включенные в трехчленные циклы, могут существовать в различных конформациях, возникающих при поворотах атомных групп или фрагментов молекул вокруг этих связей.

Важные особенности свойств макромолекул синтетических и биологических полимеров определяются их конформационными свойствами.

Заключение

Квантохимическая теория химического строения молекул играет важную роль в понимании и исследовании химических процессов. Понимание размеров, формы и симметрии молекул позволяет выявить их основные характеристики и свойства.

Теория строения молекул: основные параметры

В квантохимической теории химического строения основными параметрами, определяющими индивидуальность молекулы, является её электронная и пространственная (стереохимическая) конфигурации. При этом, в качестве электронной конфигурации, определяющей свойства молекулы, принимается конфигурация с наинизшей энергией, то есть основное энергетическое состояние.

Представление структуры молекул

Молекулы состоят из электронов и атомных ядер, расположение последних в молекуле отражает структурная формула (для передачи состава используется так называемая молекулярная формула). Молекулы белков и некоторых искусственно синтезированных соединений могут содержать сотни тысяч атомов. Отдельно рассматриваются макромолекулы полимеров.

Молекулы являются объектом изучения теории строения молекул, квантовой химии, аппарат которых активно использует достижения квантовой физики, в том числе релятивистских её разделов. Также в настоящее время развивается такая область химии, как молекулярный дизайн. Для определения строения молекул конкретного вещества современная наука располагает широким набором методов: электронная спектроскопия, колебательная спектроскопия, ядерный магнитный резонанс и электронный парамагнитный резонанс и многие другие, но единственными прямыми методами в настоящее время являются дифракционные методы, а именно: рентгеноструктурный анализ и дифракция нейтронов.

Взаимодействие атомов при образовании молекулы

Природа химических связей в молекуле оставалась загадкой до создания квантовой механики — классическая физика не могла объяснить насыщаемость и направленность валентных связей. Основы теории химической связи были заложены в 1927 году Вальтером Гайтлером и Фрицем Лондоном на примере простейшей молекулы Н2. Позже теория и методы расчётов были значительно усовершенствованы.

Химические связи в молекулах подавляющего большинства органических соединений является ковалентными. Среди неорганических соединений существуют ионные и донорно-акцепторные связи, которые реализуются в результате обобществления пары электронов атома. Энергия образования молекулы из атомов во многих рядах подобных соединений приближённо аддитивна. То есть можно считать, что энергия молекулы — это сумма энергий её связей, имеющих постоянные значения в таких рядах.

Аддитивность энергии молекулы выполняется не всегда. Примером нарушения аддитивности являются плоские молекулы органических соединений с так называемыми сопряжёнными связями, то есть с кратными связями, которые чередуются с одинарными. Сильная делокализация p-состояний электронов приводит к стабилизации молекулы. Выравнивание электронной плотности вследствие коллективизации -состояний электронов по связям выражается в укорочении двойных связей и удлинении одинарных. В бензоле углерод–углеродные связи одинаковы, образуют правильный шестиугольник и имеют длину, среднюю между длиной одинарной и двойной связи. Сопряжение связей ярко проявляется в молекулярных спектрах. Современная квантовомеханическая теория химических связей учитывает делокализации не только -, но и -состояний электронов, которая наблюдается в любых молекулах.

В подавляющем большинстве случаев суммарный спин валентных электронов в молекуле равен нулю. Молекулы, содержащие неспаренные электроны — свободные радикалы (например, атомарный водород Н, метил ·CH3), обычно неустойчивы, поскольку при их взаимодействии друг с другом происходит значительное снижение энергии вследствие образования ковалентных связей. Они могут устойчиво существовать при таких температурах, когда средняя кинетическая энергия молекулы превосходит или сравнима с энергией связи, но при этом ниже энергии разрушения (например ионизации) радикала.

Электрические и оптические свойства молекул

Поведение вещества в электрическом поле определяется основными электрическими характеристиками молекул — постоянным дипольным моментом и поляризуемостью.

Дипольный момент означает несовпадение «центров тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле (электрическую асимметрию молекулы). То есть молекулы, имеющие центр симметрии, например H2, лишены постоянного дипольного момента.

Поляризуемость — это способность электронной оболочки любой молекулы перемещаться под действием электрического поля, в результате чего в молекуле образуется наведённый дипольный момент. Значение дипольного момента и поляризуемости определяют экспериментально с помощью измерения диэлектрической проницаемости.

Оптические свойства вещества характеризуют его поведение в переменном электрическом поле световой волны и определяются поляризуемостью молекулы этого вещества. С поляризуемостью непосредственно связаны преломление и рассеяние света, оптическая активность и другие явления, изучаемые молекулярной оптикой.

Межмолекулярное взаимодействие — взаимодействие между электрически нейтральными молекулами в пространстве. В зависимости от полярности молекул характер межмолекулярного взаимодействия разный. Природа последнего оставалась до конца неясной до создания квантовой механики.

Молекула воды, пример поляризованной молекулы.

Числами указана электроотрицательность — свойство атома в молекуле смещать к себе общие электронные пары. Электроотрицательность атома кислорода (3,4) больше электроотрицательности атома водорода (2,2).

Магнитные свойства молекул

Молекулы и макромолекулы подавляющего большинства химических соединений являются диамагнитными. Магнитная восприимчивость молекул () для отдельных органических соединений может быть выражена как сумма значений для отдельных связей.

Молекулы, имеющие постоянный магнитный момент, является парамагнитными. К таковым относятся молекулы с нечётным количеством электронов на внешней оболочке (например, NO и любые свободные радикалы), молекулы, содержащие атомы с незаполненными внутренними оболочками (например, переходные металлы). Магнитная восприимчивость парамагнитных веществ зависит от температуры, поскольку тепловое движение препятствует ориентации магнитных моментов в магнитном поле.

Спектры и строение молекул

Электрические, оптические, магнитные и другие свойства молекул связаны с волновыми функциями и энергиями различных состояний молекул. Информацию о состояниях молекул и вероятности перехода между ними дают молекулярные спектры.

Частоты колебаний в спектрах определяются массами атомов, их расположением и динамикой межатомных взаимодействий. Частоты в спектрах зависят от моментов инерции молекул, определение которых из спектроскопических данных позволяет получить точные значения межатомных расстояний в молекуле. Общее число линий и полос в колебательном спектре молекулы зависит от её симметрии.

Электронные переходы в молекулах характеризуют структуру их электронных оболочек и состояние химических связей. Спектры молекул, которые имеют большее количество связей, характеризуются длинноволновыми полосами поглощения, попадающими в видимую область. Вещества, которые построены из таких молекул, характеризуются окраской; к таким веществам относятся все органические красители.

Молекулы в химии, физике и биологии

Понятие молекулы является основным для химии, и большей частью сведений о строении и функциональность молекул наука обязана химическим исследованиям. Химия определяет строение молекул на основе химических реакций и, наоборот, на основе строения молекулы определяет, каким будет ход реакций.

Строением и свойствами молекулы определяются физические явления, которые изучаются молекулярной физикой. В физике понятие молекулы используется для объяснения свойств газов, жидкостей и твёрдых тел. Подвижностью молекул определяется способность вещества к диффузии, его вязкость, теплопроводность и т. д. Первое прямое экспериментальное доказательство существования молекул было получено французским физиком Жаном Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения.

Поскольку все живые организмы существуют на основе тонко сбалансированного химического и нехимического взаимодействия между молекулами, изучение строения и свойств молекул имеет фундаментальное значение для биологии и естествознания в целом.

Развитие биологии, химии и молекулярной физики привели к возникновению молекулярной биологии, которая исследует основные явления жизни, исходя из строения и свойств биологически функциональных молекул.

Массовое число является одной из основных характеристик атомного ядра. Оно показывает, из какого количества протонов и нейтронов состоит данное ядро.

Что такое массовое число

Массовое число – это суммарное количество нуклонов (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Оно обозначается буквой A.

Например, в ядре изотопа углерода 12C содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Следовательно, его массовое число равно 6 + 6 = 12.

Массовое число показывает общее число нуклонов в ядре и позволяет различать разные изотопы одного и того же элемента.

Связь массового числа с массой и зарядом ядра

Массовое число тесно связано с массой атомного ядра. Чем больше нуклонов в ядре, тем больше его масса. Приближенно массу ядра можно вычислить по формуле:

M ≈ A · mN

где M – масса ядра, A – массовое число, mN ≈ 1,67·10-27 кг – масса одного нуклона (протона или нейтрона).

Кроме того, массовое число определяет и заряд ядра, поскольку равно сумме протонов Z и нейтронов N:

A = Z + N

Использование массового числа

Знание массового числа необходимо для идентификации конкретных изотопов химических элементов. Массовое число указывается вверху слева от символа элемента:

Массовые числа позволяют отличать изотопы друг от друга и прослеживать превращения ядер при ядерных реакциях или радиоактивном распаде.

Изменение массового числа

При ядерных превращениях массовое число может либо сохраняться, либо изменяться:

Исходное ядро 238U

Альфа-распад 234Th + 4He

Бета-распад 234Pa (массовое число не изменилось)

Таким образом, отслеживание изменения массовых чисел позволяет изучать механизмы ядерных реакций и радиоактивности.

Нуклоны и массовое число

Массовое число ядра равно общему количеству протонов и нейтронов. Эти частицы называются нуклонами, поэтому массовое число показывает, сколько всего нуклонов находится в данном атомном ядре.

Например, в ядре лития-7 содержится 3 протона и 4 нейтрона. Их сумма как раз и дает массовое число 7. То же самое для ядра урана-235 – в нем насчитывается 92 протона и 143 нейтрона.

Таким образом, зная массовое число, мы можем определить общее количество нуклонов в ядре. А это важно для понимания его свойств и поведения.

Применение данных о массовых числах

Информация о массовых числах находит широкое применение в различных областях науки и техники. Рассмотрим некоторые примеры.

В ядерной физике массовые числа используются при изучении ядерных реакций и радиоактивных превращений. Зная массовые числа исходных ядер и продуктов реакции, можно определить ее механизм, выделение или поглощение энергии и другие параметры.

В радиохимии по массовым числам идентифицируют радиоактивные изотопы, определяют их происхождение в результате ядерных превращений, изучают пути миграции в окружающей среде.

В геохимии и космохимии соотношение содержания стабильных изотопов элементов, имеющих разные массовые числа, несет информацию об источниках вещества, условиях и времени его образования.

Массовое число и атомная масса

Хотя массовое число близко к значению атомной массы изотопа, выраженной в атомных единицах массы (а.е.м.), эти величины не всегда совпадают:

Например, у хлора-35 массовое число равно 35, а атомная масса составляет 34,96885 а.е.м. То есть массовое число дает приближенное значение массы атома.

Совпадение имеет место только для изотопа углерода-12, поскольку атомная единица массы определяется как 1/12 массы атома 12C.

Массовые числа изотопов химических элементов

У одного и того же химического элемента может быть несколько стабильных изотопов с различными массовыми числами. Например, для водорода известны изотопы:

Другие элементы могут иметь до 10-15 стабильных изотопов. Кроме того, у многих элементов обнаружены десятки нестабильных (радиоактивных) изотопов с разными массовыми числами.

Знание всех изотопов и их массовых чисел необходимо для понимания химических и физических свойств вещества.

Массовое число элемента и его атомная масса

Массовое число элемента обычно указывается для смеси его стабильных изотопов в природном составе. Оно представляет собой средневзвешенное значение массовых чисел отдельных изотопов с учетом их процентного содержания.

Например, массовое число хлора равно 35,45. Это округленное среднее от массовых чисел двух стабильных изотопов хлора:

Атомная масса хлора 35,453 а.е.м. тоже является средневзвешенным значением для смеси изотопов.

Таким образом, зная изотопный состав элемента и массовые числа изотопов, можно вычислить массовое число и атомную массу природного элемента.

Изменение изотопного состава

Хотя в природе изотопный состав большинства элементов довольно постоянен, в некоторых случаях под действием различных факторов он может существенно меняться.

Например, изотопный состав углерода в атмосфере, гидросфере и биосфере имеет характерные отличия. Причиной этому служат кинетические и термодинамические эффекты при участии изотопов 12С, 13С и 14С в биохимических и геохимических процессах.

Ядерные реакции также ведут к изменению изотопных соотношений. Например, работа ядерных реакторов и испытания ядерного оружия приводят к появлению искусственных радиоактивных изотопов, которых нет в природе.

Роль нейтронов

Хотя протоны и нейтроны вносят примерно равный вклад в массовое число ядра, роль этих частиц во многих отношениях различна.

Протоны определяют заряд ядра и через это химические свойства элемента. Нейтроны выполняют в основном структурную функцию, обеспечивая связь протонов друг с другом.

Избыток или недостаток нейтронов делает ядро нестабильным и приводит к радиоактивному распаду. Так, у большинства стабильных изотопов отношение числа нейтронов к протонам близко к единице.

Применение в ядерной энергетике

Данные о массовых числах имеют большое значение в ядерной энергетике – как для мирного использования атомной энергии, так и в военных целях.

В ядерных реакторах протекают управляемые цепные реакции деления тяжелых изотопов, таких как уран-235 и плутоний-239. При этом возникают продукты деления с меньшими массовыми числами.

В термоядерном оружии происходит синтез легких изотопов – обычно дейтерия и трития с образованием более тяжелого гелия. Выделяемая при этом колоссальная энергия и носит разрушительный характер.

Массовое число и период полураспада

У радиоактивных изотопов массовое число связано с временем их существования до распада – периодом полураспада. Как правило, чем сильнее массовое число изотопа отклонено от значений, характерных для стабильных нуклидов, тем меньше его период полураспада.

Физика атома

Атом — это наименьшая частица химического элемента, способная к самостоятельному существованию и обладающая его свойствами.

Каждому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом О, атом водорода Н, атом гелия Не.

Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твердых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).

Со времен Демокрита (ок. 460—370 гг. до н. э.) и до конца XIX в. атом считался неделимой частицей — кирпичиком мироздания. После открытия электрона в 1897 г. английским ученым Дж. Дж. Томсоном стало ясно, что атом — сложная система.

Планетарная модель атома

С целью выяснения распределения положительного заряда в атоме английский ученый Э. Резерфорд исследовал рассеяние $α$-частиц фольгой из различных веществ. Большинство а-частиц беспрепятственно, почти без отклонений, проникало через фольгу, и только $1$ из $2000$ частиц отклонялась на углы, большие $90°$. В результате этих экспериментов в 1911 г. Резерфорд предложил следующую модель строения атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются электроны, каждый на своей орбите, подобно планетам Солнечной системы, обращающимся вокруг Солнца. Поэтому модель называют планетарной.

где $е$ — заряд электрона.

Заряд ядра и число электронов в атоме, соответственно, совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.

В целом атом электронейтрален. При отрыве электрона от атома или присоединении электрона к атому (в результате столкновений, например, или при различных химических процессах) могут образоваться положительно или отрицательно заряженные ионы.

Это несоответствие опыта выводам теории связано с попыткой применения законов классической физики к внутриатомным явлениям (которые, как оказалось, подчиняются законам квантовой механики).

Выход из создавшейся в теории атома ситуации был найден датским физиком Нильсом Бором.

Состав ядра. Нуклонная модель Гейзенберга-Иваненко

Атомное ядро — это центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов (которые вместе называются нуклонами).

Предложенная Э. Резерфордом планетарная модель атома и экспериментальное наблюдение им ядер водорода, выбитых $α$-частицами из ядер других элементов (1919—1920 гг.), привели ученого к представлению о протоне. Термин протон был введен в начале 20-х гг XX ст.

Протон (от protos — первый, символ $p$) — стабильная элементарная частица, ядро атома водорода.

Второй частицей, входящей в состав ядра, является нейтрон.

Нейтрон (от лат. neuter — ни тот, ни другой, символ $n$) — это элементарная частица, не имеющая заряда, т. е. нейтральная.

Нейтрон был открыт в 1932 г. учеником Э. Резерфорда Д. Чедвигом при бомбардировке бериллия $α$-частицами. Возникающее при этом излучение с большой проникающей способностью (преодолевало преграду из свинцовой пластины толщиной $10-20$ см) усиливало свое действие при прохождении через парафиновую пластину. Оценка энергии этих частиц по трекам в камере Вильсона, сделанная супругами Жолио-Кюри, и дополнительные наблюдения позволили исключить первоначальное предположение о том, что это $γ$-кванты. Большая проникающая способность новых частиц, названных нейтронами, объяснялась их электронейтральностью. Ведь заряженные частицы активно взаимодействуют с веществом и быстро теряют свою энергию. Существование нейтронов было предсказано Э. Резерфордом за 10 лет до опытов Д. Чедвига. При попадании $α$-частиц в ядра бериллия происходит следующая реакция:

После открытия Дж. Чедвиком нейтрона в 1932 г. Д. Иваненко и В. Гейзенберг независимо друг от друга предложили протоннонейтронную (нуклонную) модель ядра. Согласно этой модели, ядро состоит из протонов и нейтронов. Число протонов $Z$ совпадает с порядковым номером элемента в таблице Д. И. Менделеева.

Заряд ядра $Q$ определяется числом протонов $Z$, входящих в состав ядра, и кратен абсолютной величине заряда электрона $e$:

Число $Z$ называется зарядовым числом ядра или атомным номером.

Массовым числом ядра $А$ называется общее число нуклонов, т. е. протонов и нейтронов, содержащихся в нем. Число нейтронов в ядре обозначается буквой $N$. Таким образом, массовое число равно:

Нуклонам (протону и нейтрону) приписывается массовое число, равное единице, электрону — нулевое значение.

Представлению о составе ядра содействовало также открытие изотопов.

Изотопы (от греч. isos — равный, одинаковый и topos — место) — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, атомные ядра которых имеют одинаковое число протонов ($Z$) и различное число нейтронов ($N$).

Изотопы занимают одно и то же место в Периодической системе элементов, откуда и произошло их название. По своим ядерным свойствам (например, по способности вступать в ядерные реакции) изотопы, как правило, существенно отличаются. Химические (и почти в той же мере физические) свойства изотопов одинаковы. Это объясняется тем, что химические свойства элемента определяются зарядом ядра, поскольку именно он влияет на структуру электронной оболочки атома.

У всех химических элементов имеются изотопы. У некоторых элементов имеются только нестабильные (радиоактивные) изотопы. Для всех элементов искусственно получены радиоактивные изотопы.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Под энергией связи ядра понимают ту энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основании закона сохранения энергии можно также утверждать, что энергия связи равна той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика. Определить ее можно, применяя соотношение Эйнштейна между массой и энергией: $E=mc^2$.

Ядерные реакции

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет растущей с увеличением $Z$ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Дефект массы

Точнейшие измерения показывают, что масса покоя ядра $М_я$ всегда меньше суммы масс покоя составляющих ее протонов и нейтронов: $М_я < Zm_p + Nm_n$. Существует положительная разность масс, называемая дефектом массы: $∆M=Zm_p + Nm_n-М_я$. Для гелия масса ядра на $0.75 %$ меньше суммы масс двух протонов и двух нейтронов. Для одного моля гелия $∆M=0.03$ г.

Ma ssovoe chislo atomnogo yadra summarnoe kolichestvo protonov i nejtronov nazyvaemyh obshim terminom nuklony v yadre Obychno oboznachaetsya bukvoj A Massovoe chislo blizko k atomnoj masse izotopa vyrazhennoj v atomnyh edinicah massy no sovpadaet s nej tolko dlya ugleroda 12 poskolku atomnaya edinica massy a e m opredelyaetsya sejchas kak 1 12 massy atoma 12S Vo vseh ostalnyh sluchayah atomnaya massa ne yavlyaetsya celym chislom v otlichie ot massovogo chisla Tak massovoe chislo izotopa hlora 35Cl ravno 35 a ego atomnaya massa sostavlyaet 34 96885 a e m Massovoe chislo v oboznachenii konkretnogo nuklida vida atomnyh yader pishetsya verhnim levym indeksom naprimer 232Th Nuklidy s odinakovym massovym chislom nazyvayutsya izobarami naprimer izobarami yavlyayutsya nuklidy 14C i 14N Znanie massovogo chisla pozvolyaet ocenit massu yadra i atoma Esli izvestno massovoe chislo to massa M atoma i ego yadra ocenivaetsya iz sleduyushego sootnosheniya M A mN gde mN 1 67 10 27 kg massa nuklona to est protona ili nejtrona Naprimer v sostav atoma alyuminiya 27 i ego yadra vhodit 27 nuklonov 13 protonov i 14 nejtronov Ego massa primerno ravna 27 1 67 10 27 kg 4 5 10 26 kg Esli neobhodimo poluchit massu yadra s bolshej tochnostyu to nuzhno uchest chto nuklony v yadre svyazany silami yadernogo prityazheniya i poetomu v sootvetstvii s sootnosheniem E mc2 massa yadra umenshaetsya V massu atoma takzhe sleduet dobavit summarnuyu massu elektronov na orbitah vokrug yadra Odnako vse eti popravki ne prevyshayut 1 1 Massovoe chislo sovpadaet s barionnym chislom yadra Barionnoe chislo sohranyaetsya vo vseh izvestnyh processah poetomu lyubye radioaktivnye raspady i yadernye reakcii ne privodyat k izmeneniyu summy massovyh chisel yader v levoj i pravoj chasti reakcii Naprimer pri alfa raspade urana 238 92 238 U 90 234 T h 2 4 H e displaystyle mathsf text 92 238 U rightarrow text 90 234 Th 2 4 He dd v levoj chasti massovoe chislo nachalnogo yadra ravno 238 v pravoj chasti reakcii dva yadra s massovymi chislami 234 i 4 chto v summe dayot 238 S uchyotom togo chto massovoe chislo alfa chasticy yadra geliya 4 ravno 4 alfa raspad snizhaet massovoe chislo raspadayushegosya yadra na 4 edinicy Lyubye tipy beta raspada beta minus raspad pozitronnyj raspad elektronnyj zahvat vse tipy dvojnogo beta raspada ne izmenyayut massovoe chislo poskolku v etom processe proishodit lish prevrashenie nekotoryh nuklonov yadra iz odnogo vida v drugoj protonov v nejtrony ili obratno Izomernyj perehod takzhe ne izmenyaet massovoe chislo yadra Primechaniya Pravit Ishhanov B S Kapitonov I M Kebin E I Chasticy i atomnye yadra Osnovnye ponyatiya Izd MGU Moskva 2009 271 s tirazh 100 ekz rus Data obrasheniya 15 fevralya 2011 Arhivirovano 25 noyabrya 2012 goda Istochnik https ru wikipedia org w index php title Massovoe chislo amp oldid 130278207

Ядерные реакции

Планетарная модель атома была разработана Резерфордом после проведения серии экспериментов. До Резерфорда считалось, что в атоме равномерно распределены “плюсы” и “минусы”, и атом представляет собой некий электронейтральный “пудинг”, состоящий из равномерно перемешенных положительных и отрицательных зарядов (модель атома Томпсона).

Резерфорд направлял сфокусированный пучок альфа-частиц (тяжелые положительно заряженные частицы) на тонкую пластинку фольги. В ходе опытов выяснилось, что большинство α-частиц проходят фольгу насквозь, немного отклоняясь, но некоторые рассеиваются с большим углом отклонения.

Так как α-частицы обладают положительным зарядом, рассеивать их могло лишь электростатическое поле. α-частицы также достаточно массивны, поэтому не могли отклоняться электронами, которые легче на несколько порядков. Следовательно, α-частицы рассеивались электростатическим полем массивного объекта ― ядра атома.

Ядерные реакции

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд разработал «планетарную модель атома», согласно в центре атома располагается массивное положительно заряженное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядро окружено легкими, движущимися по орбитам вокруг ядра, отрицательно заряженными электронами.

Ядерные реакции

X ― название химического элемента

Z ― зарядовое число, равное количеству протонов в ядре

A ― массовое число, равное количеству протонов и нейтронов в ядре

Поскольку массовое число атомов равно сумме протонов и нейтронов, то можно найти число нейтронов в атоме: (n = A – Z). Число электронов в атоме равно число протонов.

Пример анализа состава атома по таблице химических элементов Менделеева.

Ядерные реакции

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад ― спонтанное изменение состава ядра атома. Радиоактивность ― это процесс радиоактивного распада. При радиоактивном распаде ядро атома испускает альфа-частицы, электроны или гамма излучение.

Закон радиоактивного распада описывает статистическую закономерность ― он позволяет определить, сколько атомных ядер распалось в начальном образце. При этом узнать, какое именно из ядер распадется в следующий раз невозможно. Распад ядра ― очень быстрый процесс, о времени распада каждого отдельного ядра также ничего нельзя сказать.

N ― число атомов в момент времени t;

N0 ― число атомов радиоактивного элемента в начальный момент;

T ― период полураспада;

t ― время, которое прошло с начального момента.

Период полураспада показывает, за какое время половина всех атомов в образце распадется.

Закон радиоактивного распада может быть также записан с использованием не числа атомов элемента, а концентрации атомов в образце, или массы атомов в образце.

Виды распада

Наиболее распространенные типы радиоактивного распада ― α-распад, электронный β-распад, электронный β-захват и γ-распад. Эти распады происходят по следующим схемам:

При α-распаде заряд ядра атома уменьшается на 2, а массовое число уменьшается на 4, и излучается α-частица ― ядро гелия.

Из-за превращения нейтрона в протон, зарядовое число увеличивается на 1, а масса не изменяется.

γ-распад ― это испускание ядром гамма-излучения (электромагнитной волны высокой частоты).

При γ-распаде заряд и масса ядра не изменяются.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *