Атомы и электроны: Атомы и электроны | Бронштейн Матвей Петрович

на задворках атомов / Хабр

Электроны, крохотные объекты, населяющие задворки атомов, играют ведущую роль в химии, переносят электрический ток по нашим электрическим сетям и внутри ударов молний, и составляют «катодные лучи», использовавшиеся для создания изображений в телевидении XX века и на экранах компьютеров. Это наиболее типичный пример (вроде бы) элементарных частиц.

Под «элементарными» я подразумеваю, что электроны неделимы и не состоят из частиц меньшего размера. При помощи «вроде бы» я напоминаю, что они элементарны, насколько нам позволяют судить об этом современные знания – то, что мы знаем об электронах, получено в экспериментах, а наши эксперименты не обладают бесконечной властью. Если электроны не элементарны, но настолько малы, что наши текущие эксперименты не могут их разломать – они будут выглядеть элементарными во всех экспериментах, проведённых нами в прошлом и настоящем, но не во всех будущих экспериментах. Так что, когда-нибудь – ведь 80 лет назад люди считали, что протоны могут быть элементарными, но им не хватало знаний, а 150 лет назад люди считали, что атомы могут быть элементарными, но им не хватало знаний – мы можем обнаружить, что электроны не элементарны. Но пока, поскольку все доступные нам эксперименты демонстрируют, что они элементарны, мы будем условно предполагать, что так и есть – помня, что это частично экспериментальный факт, и частично – предположение!

Электрон стал первой из обнаруженных субатомных частиц (первым найденным объектом, чей размер был меньше атома). Во времена его открытия, в 1890-х (обычно пишут 1897 год, но это открытие было в некотором роде постепенным), научные дебаты по поводу того, состоит ли материя из атомов, или же атомы были просто выдумкой, удобной для описания поведения материи, подходили к концу. Но даже те, кто верил в существование атомов, не обязательно считали, что атомы были неделимы (как предполагало их имя, произошедшее от греческого «неразрезаемый»). Поколение спустя, к середине 1930-х, физики подтвердили существование атомов, поняли их базовую структуру и узнали, как подсчитывать их свойства с высокой точностью. Эти подсчёты они провели с помощью уравнений из теории поведения материи 1920-х годов, называемой «квантовая механика», ставшей необходимой потому, что знаменитые уравнения Ньютона не справлялись с описанием работы атомов. Многие ключевые проверки точности квантовой механики были связаны с точными измерениями поведения электронов внутри и снаружи атомов.

Все электроны идентичны и неразличимы; если я поменяю два из них местами, вы не сможете этого обнаружить. Так что я могу писать о «свойстве электрона», а вы можете быть уверены в том, что эти свойства таковы для всех электронов. Какие же свойства присущи им?

Масса!

У электрона есть масса – она мала по сравнению с массой любого атома, поэтому про неё обычно можно забыть в начальных классах химии, но она не настолько мала, чтобы забыть о ней в физике частиц и даже в понимании структуры атомов. Хотя электроны не вносят значительного вклада в массу атома, масса электрона необходима для определения размера атома. В этом, в частности, заключается важность поля и частицы Хиггса. Эту массу можно записать по-разному, и каждый из способов даёт вам свою перспективу:

• Она равна примерно 9 × 10^-31 кг = 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 9 кг.
• Она равна примерно 0,05% (точнее, 1/1838) массы атома водорода – легчайшего атома в природе. Большая часть его массы содержится в его ядре.
• Энергия, хранящаяся в массе электрона, E = mc², равна 0,000 511 ГэВ. Это в 200 000 раз больше энергии, переносимой одним фотоном зелёного цвета. В физике частиц масса частицы часто записывается через обратное взаимоотношение энергии и массы: для стационарной частицы m = E / c². В этих терминах масса электрона равна 0,000511 ГэВ / c².

Электрический заряд!

У электрона есть электрический заряд – а значит, на него действуют электрическое и магнитное поля. На электрически заряженную частицу в присутствии электрического поля будет действовать электрическая сила. Именно такие силы удерживают электроны внутри их атомов.

Насколько велик электрический заряд электрона? Представьте себе статическое электричество – вы прошли в ботинках по ковру, а затем, прикоснувшись к дверной ручке, другому человеку или компьютеру (!!!), вы почувствуете искру. Эта искра переносит заряд из одного места в другое – и обычно она в 10 миллионов миллионов раз больше заряда, переносимого электроном. Физики измеряют заряд с использованием произвольно выбранной единицы под названием кулон (так же, как время измеряется в секундах и длина в метрах). В типичном заряде статического электричества содержится одна миллионная доля кулона. Величину заряда электрона обычно обозначают e, и e примерно равно 1,6 × 10^-19 Кл.

Размер?

Размер электрона неизвестен; он может оказаться точечным объектом без размера, или у него может быть чрезвычайно малый размер, радиус которого не превышает 10

^-18

м. Это, по меньшей мере, в 100 000 000 раз меньше радиуса атома. В ином случае мы бы видели признаки размера электрона в экспериментах.

Как на самом деле выглядит электрон? Как я писал в статье про атомы, определить понятие размера элементарной частицы сложно, поскольку электрон, хотя его и называют частицей, не является какой-нибудь пылинкой или крупинкой соли или песка. У него также есть и волновые свойства. В атоме электроны в каком-то смысле распределены по всему атому, как распространяется звуковая волна от барабана. В этом смысле, находясь внутри атома, они имеют размер всего атома.

Но это контекстуальный, а не присущий самому электрону размер. Я так и буду называть это «контекстуальным размером». Измените контекст – выньте электрон из атома, поместите его в маленькую металлическую коробку – и распределение электрона может вырасти или ужаться. У протона, наоборот, есть присущий ему размер, примерно в 100 000 раз меньше атома. Ни в каком смысле нельзя сделать протон меньше присущего ему размера, не разломав его. Короче, контекстуальный размер не может быть меньше внутреннего размера. Уменьшив контекстуальный размер электрона до минимума, в основном через рассеяние электронов высокой энергии с других частиц, мы искали их внутренний размер. Пока что ничего не нашли.

Так что, можно сказать, что эксперименты показывают, что присущий электрону размер меньше, чем 10^-18 м. А как далеко электрон распространяется в виде волны, зависит от контекста.

Спин@

Про это свойство вы могли и не слышать. Оно может покорёжить вам мозг (как покорёжило мне!)

Среди странных свойств квантового мира есть очень странный факт (впервые открытый в 1920-х Гаудсмитом и Уленбеком, пытавшимися осмыслить данные, полученные с измерений электронов в атоме) — элементарные частицы могут крутиться, даже не имея размера! Представить это невозможно: мне, по крайней мере, это недоступно. Скажем это в практическом смысле: электроны и многие другие частицы природы ведут себя так, будто это маленькие вращающиеся волчки – если их поглощает другой объект, это заставляет этот объект немного крутиться. Представьте себе, как вращающийся кусок мягкой глины падает на способный крутиться стол. Глина прилипнет к столу, и стол начнёт вращаться.

Что ещё более странно, каждый из типов частиц всегда вращается с одной и той же скоростью! Мы говорим, что у электронов спин равен 1/2; это самая малая ненулевая скорость вращения, которой способна обладать частица. Нам также известны другие типы элементарных частиц со спином 1/2, 1, и (как мы думаем) 0, и не-элементарных частиц со спинами 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2, и далее, до очень больших значений.

Магнетизм↑

Электрически заряженный вращающийся шар вёл бы себя, как магнит, и вы можете догадаться, что поскольку у электронов есть заряд и спин, они ведут себя, как магниты. И вы правы! То, что электроны ведут себя, как маленькие магниты, помогает подтвердить тот факт, что они на самом деле вращаются. Обычные, повседневные магниты, сделанные из, допустим, железа, приобретают свой магнетизм от электронов; множества и множества электронов, чьи спины аккуратно выровнены, могут создать большой магнит из множеств и множеств маленьких!

А вы уверены в том, что электроны реально существуют?

Не пора ли в этой статье продемонстрировать изображение электрона?

Электрически заряженная частица проходит через специально подготовленную пузырьковую камеру, оставит за собой след из пузырьков. Пузырьки быстро раздуваются до видимого размера, а затем этот след можно сфотографировать. Магнитное поле изгибает путь частиц; направление изгиба сообщает вам, был ли заряд частицы положительным или отрицательным. Это знаменитое фото 1933 года демонстрирует тонкий искривлённый путь пузырьков, отмеченный красными стрелками, ведущий себя точно так же, как след электрона – за исключением того, что след электрона выгнулся бы вправо. Изгиб не в ту сторону доказывает, что у частицы, оставившей след, заряд положительный, и поэтому след оставлен позитроном, античастицей электрона. Горизонтальная черта и диагональные линии – это артефакты фотографии и экспериментальной установки.

В отличие от молекул и атомов, достаточно крупных для того, чтобы сделать их фотографии при помощи особых микроскопов, изображение электрона сделать невозможно. Он просто слишком мал и неуловим. Мы можем делать изображения следов электронов, проходящих сквозь материю, как на рисунке (там показан антиэлектрон, позитрон, но электрон выглядел бы практически точно так же), но мы не можем получать изображения электронов напрямую.

Но наша уверенность в существовании электронов очень сильна, а наши знания их свойств весьма точны. Откуда берётся это уверенность?

Это важный вопрос, поскольку один из самых частых вопросов, который задают специалистам по физике частиц – это знаем ли мы на самом деле, что эти частицы существуют, или же мы обманываем себя (и всех остальных), и тратим кучу денег на ерунду, которая оказывается всего лишь горячим воздухом, выходящим из наших голов.

Да, мы знаем, что мы делаем. И мы знаем об этом уже более ста лет. Часть нашей уверенности получена благодаря таким изображениям, которое приведено выше. Но есть и множество других источников уверенности, о которых я, возможно, напишу позже.

Читать «Атомы и электроны» — Бронштейн Матвей Петрович — Страница 1

Атомы и электроны

Новое издание первой части популярной книги известного советского физика и популяризатора науки М. П. Бронштейна, выходившей в 1935 г. В ней рассказывается о развитии науки, о том, как впервые измерили массы атомов и их размеры, какие работы и опыты привели к открытию электронов и выяснению строения атомов. Книга относится к числу лучших образцов научно-популярных изданий прошлого.

Рассчитана на школьников, преподавателей, студентов.

Матвей Петрович Бронштейн

Библиотечка Квант

Выпуск 1

Москва «Наука» Главная Редакция

Физико-Математической Литературы 1980

Предисловие редколлегии

Этой книгой Академия наук СССР начинает издание новой серии научно-популярных книг. Предназначены эти книги главным образом для школьников — учеников старших классов. Но мы надеемся, что большинство книг будут интересны и многим другим читателям — учителям, студентам, всем тем, кто интересуется естественными науками, их успехами и историей.

Серия создана по инициативе редколлегии популярного в нашей стране журнала «Квант» и ставит перед собой те же цели, что и этот журнал. Главные из них — формирование у читателя марксистско-ленинского мировоззрения, коммунистических черт личности, пробуждение интереса к активным занятиям физикой, математикой, астрономией и оказание помощи в этих занятиях.

Для того чтобы эти цели были достигнуты, читателю нужно не просто читать книги, но и работать над ними — решать задачи, доказывать теоремы, ставить описанные опыты.

Мы надеемся, что эта серия поможет нашей молодежи в овладении знаниями, необходимыми теперь в любой сфере их будущей деятельности.

Мы ждем от читателей предложений, замечаний и советов, какие книги следует издать, на какие темы. Все эти предложения будут приняты с благодарностью.

Редколлегия серии

Предисловие редактора

Книга, предлагаемая вниманию читателей, впервые увидела свет в 1935 г. Она предназначалась для школьников старших классов, а ее автор был примерно в два раза их старше: Матвею Петровичу Бронштейну в то время не было еще 30 лет. Он работал в Ленинграде, в теоретическом отделе прославленного Физико-технического института, который справедливо называют колыбелью советской физики. Исследования Бронштейна охватывали целый ряд областей теоретической физики — астрофизику, физику полупроводников и атомных ядер.

Сейчас вошло в моду слово «хобби» — увлечение, часто не имеющее ничего общего с основной профессией человека. Одним из самых сильных увлечений М. П. Бронштейна была популяризация физики. К 1936 г. вышли четыре его книги для юношества. Одна из них особенно полюбилась читателям и сделала имя автора известным далеко за пределами того сравнительно небольшого в 30-е годы круга физиков, в котором Матвея Петровича и без того хорошо знали.

Эта книжка — «Солнечное вещество» — о необыкновенной истории открытия благородного газа гелия — была переиздана в 1959 г. В предисловии к ней Л. Д. Ландау, товарищ Бронштейна по Ленинградскому университету и Физико-техническому институту, писал: «Книга «Солнечное вещество», принадлежащая перу безвременно погибшего талантливого физика Матвея Петровича Бронштейна,- незаурядное явление в мировой популярной литературе. Она написана с такой простотой и увлекательностью, что читать ее, пожалуй, равно интересно любому читателю — от школьника до физика-профессионала. Раз начав, трудно остановиться и н дочитать до конца». Л. Д. Ландау убедился в этом на собственном опыте, подготавливая книгу к переизданию. В это время он был ведущим в нашей стране физиком-теоретиком, «профессионалом» самого высокого класса, академиком, Героем Социалистического Труда; в 1962 г. его работы по исследованию жидкого гелия Шведская Академия наук удостоит Нобелевской премии по физике.

Книга М. П. Бронштейна «Атомы, электроны, ядра» отличается теми же высокими достоинствами и блеском, что и «Солнечное вещество». Матвей Петрович сравнивает в ней ученых с искусными сыщиками, умеющими по самым незначительным и незаметным следам раскрывать картину физического явления, задавать Природе такие вопросы, чтобы ответы на них восстанавливали всю цепь событий, приводящих к результату, зафиксированному в искусном эксперименте. Эта книга читается как талантливо, прекрасным языком написанный детективный роман. Только действующие лица этого романа, за которыми следят внимательные и проницательные ученые, не преступники, а атомы, электроны, ядра.

Есть два рода хороших книг. От одних через много лет сохраняется общее благоприятное впечатление, другие же запоминаются даже в деталях. Быть может, это индивидуальная особенность памяти, но, так или иначе, книгу Матвея Петровича, впервые прочитанную более 30 лет тому назад, я сразу же запомнил во всех подробностях. Еще одно наблюдение: книги, понравившиеся в детстве, могут произвести совершенно иное впечатление при повторном чтении, уже в зрелые годы. Многие из опасения утраты таких впечатлений воздерживаются от перечитывания когда-то любимых авторов и книг — вне зависимости от того, относятся ли эти книги к жанру художественной или научно-популярной литературы. В последнем случае, пожалуй, такие опасения особенно основательны. Ведь за годы, прошедшие от юности до «взрослости», быстро развивающаяся наука может настолько далеко уйти вперед, что упрощенными оказываются сами теории и концепции, а не только популярная их трактовка, как бы хорошо она ни была выполнена.

Книги М. П. Бронштейна блестяще выдерживают испытание временем. Через тридцать с лишним лет после первого знакомства с «Атомами, электронами, ядрами» я с не меньшим удовольствием прочел эту книгу, хотя и по-другому оценивая те или иные ее разделы и абзацы. Причина здесь, помимо очевидного таланта Матвея Петровича, которого — вслед за С. И. Вавиловым, Я. И. Перельманом, А. Е. Ферсманом — следует считать одним из пионеров советской научно-популярной литературы, еще и в том, что из прогресса науки совсем не следует необходимость отказа от всех ее предшествующих завоеваний. Развитие исследований в области микромира может служить тому хорошим подтверждением. Открытия Рентгена, Беккереля, супругов Пьера и Марии Кюри, Резерфорда по-прежнему составляют фундамент ядерной физики, являясь первой и замечательной главой ее истории.

Необычайно углубились наши сведения об элементарных частицах, из которых построена материя, были открыты — с тех пор, как книга Бронштейна увидела первое издание — десятки новых удивительных частиц, обнаружено явление цепного распада урана, синтезированы заурановые элементы периодической системы Менделеева, нашли техническое применение силы, заключенные в ядрах атомов. Но все это не поколебало значения всколыхнувших воображение современников открытий, сделанных в последние годы прошлого и первые десятилетия нашего века, о которых и рассказано в книге Бронштейна. В настоящем выпуске «Библиотечки «Квант» публикуется ее первая часть; вторая часть, содержащая увлекательный рассказ о ядрах и их штурме, будет издана позднее.

Теперь — небольшая биографическая справка о Матвее Петровиче Бронштейне. Он родился в 1906 г. в Виннице в семье врача. Его детство пришлось на годы первой мировой войны, революции и гражданской войны — он практически не учился в средней школе и прошел ее программу самостоятельно. Работая на заводе в Киеве, молодой человек заинтересовался физикой; первые его шаги на этом поприще направлял известный советский физик Петр Саввич Тартаковский. Девятнадцатилетним юношей, студентом электромеханического техникума, Бронштейн опубликовал свою первую работу, посвященную спектру рентгеновского излучения. Она была напечатана в известном в те годы немецком физическом журнале. Именно на его страницах — и примерно в то же время — были опубликованы знаменитые работы Гейзенберга и Борна, с которых началась современная квантовая механика. В нем постоянно печатались в 20-е годы советские физики; иногда их статьи занимали около трети объема журнала: экспериментальная и теоретическая физика страны Советов выходила на международную арену.

Атом

Атом

_Atom

   Атом  — наименьшая
составная часть вещества, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит
из тяжелого положительно заряженного ядра, имеющего размер ~10^–13
см и электронов, образующих электронные оболочки атома. Размеры атомов определяются
размерами их электронных оболочек и составляют ~10^–8 см. В обычных
условиях атомы электронейтральны — число электронов в атоме равно числу
протонов в атомном ядре. Заряд ядра определяет порядковый номер атома в
Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Так как масса электрона
в ~2000 раз меньше массы протона или нейтрона, масса атома примерно равна
сумме масс нейтронов и протонов, образующих атомное ядро. Простейшим атомом
является атом водорода, состоящий из одного протона и одного электрона.
При одном и том же числе протонов в ядре, оно может содержать различное
число нейтронов. Такие ядра называются изотопами. Однако различие в числе
нейтронов в ядре практически не сказывается на химических свойствах атомов.
Для атомов, содержащих несколько электронов необходимо наряду с кулоновским
взаимодействием электронов с ядром учитывать также взаимодействие электронов
между собой. Для описания состояний отдельных электронов в атоме используется
приближение самосогласованного поля, при котором считается, что каждый электрон
находится в центрально симметрич­ном потенциальном поле, обусловленном его
кулоновским взаимодействием с ядром и всеми другими электронами.
    Состояние электрона в атоме характеризуется значением его орбитального
момента L, определяемого квантовым числом l, L = ћ[l(l+1)]^1/2.
При данном значении l состояния нумеруются в порядке возрастания квантового
числа n, пробегающего значения l+1, l+2,. .. по мере возрастания энергии.
В нерелятивистском приближении уровни с заданными значениями n и l вырождены
по проекции орбитального момента, характеризуемой квантовым числом m_l,
принимающей 2l+1 значение ±l, ±(l-1),…, ±1, ±0  и проекции спинового
момента m_s электрона, принимающей 2s+1 = 2 (s = 1/2) значения
m_s = ±1/2. Таким образом, кратность вырождения N уровня с определенными
значениями квантовых чисел n и l равна N = (2s+1)(2l+1) = 2(2l+1). Совокупность
2(2l+1) состояний с данными n и l образует электронную оболочку.
Согласно принципу Паули в каждом из этих состояний может находиться один
электрон. Если все состояния электронной оболочки заняты электронами, оболочка
называется замкнутой.
    Замкнутая s оболочка (l=0) содержит 2 электрона

N = (2s+1)(2l+1) = (2·(1/2)+1)(2·0+1) = 2.

    Замкнутая р оболочка (l=1) содержит 6 электронов

N = (2s+1)(2l+1) = (2·(1/2+1)(2·1+1) = 6.

    Замкнутая d оболочка содержит 10 электронов.
    Все электроны с заданным квантовым числом n образуют электронный
слой, содержащий 2n² электронов. Слои с n = 1, 2, 3,… называют
в соответствии с принятой для рентгеновских спектров терминологией K, L,
M, N-слоями. Максимальное число электронов в K, L, M, N-слоях приведено
в таблице.

Максимальное число электронов K, L, M, N-слоях

Наиболее близко к ядру расположен К-слой, затем L-слой и т. д. При заданном
значении n сначала заполняются состояния с l = 0, затем l = 1, l = 2 и т.д.
    Последовательное заполнение электронных слоев объясняет Периодический
закон элементов, открытый Д.И. Менделеевым. Периоды в Периодической системе
Д.И. Менделеева соответствуют последовательному заполнению оболочек. Для
элементов 1 периода происходит заполнение оболочки 1s. Для элементов 2 и
3 периодов — заполнение оболочек 2s, 2p, 3s, 3p, 3d. Однако по мере увеличения
числа электронов (заряда ядра Z) такой порядок заполнения нарушается из-за
конкуренции близких по энергии связи электронов. Справедливо следующее правило:
чем меньше l, тем сильнее волновая функция проникает в область, экранируемую
облаком внутренних электронов. В результате этого при заданном значении
n энергия электронов возрастает с увеличением l (рис.).
    Например, электроны 4s оказываются сильнее связаны, чем электроны
3d. В основе последовательности заполнения электронных оболочек многоэлектронных
атомов лежит правило Маделунга.

    Распределение электронов в атоме по оболочкам определяет
его электронную конфигурацию. Так, например, электронная конфигурация атома
²⁷Al, имеющего 13 электронов, записывается в виде 1s²
2s² 2p⁶ 3s² 3p¹. Последовательно
выписываются электронные оболочки, начиная от ближайшей к ядру. Верхний
индекс указывает число электронов на данной оболочке. Последовательность
заполнения электронами различных атомных оболочек приведена в таблице П2
(Приложение).
    Для каждой электронной конфигурации можно построить определённое
количество термов (состояний), характеризующихся определёнными значениями
полного орбитального момента

полного спинового момента

и полного момента количества движения

всех электронов данного атома.

Электростатическое и спин-орбитальное взаимодействия электронов атома
приводят к тому, что терм расщепляется на несколько состояний — мультиплет,
число компонентов которого определяется числом возможных ориентаций векторов
и
в пространстве,
т.е. числом возможных значений квантового числа j.
    Состояния атома с различными значениями L обозначаются заглавными
буквами латинского алфавита:

Сверху слева от этого символа указывается величина 2s+1, а справа внизу
значение полного момента J. Символ ⁴p_5/2 соответствует
состоянию атома с L = 1, S = 3/2, J = 5/2.
    Конкуренция спин-орбитального и электростатического взаимодействий
определяет порядок сложения орбитальных и спиновых моментов. В том случае,
когда электростатическое взаимодействие много больше спин-орбитального,
орбитальные моменты отдельных электронов складываются в полный орбитальный
момент L. Спиновые моменты отдельных электронов складываются в полный спиновый
момент S.

=
+
.

Такая схема связи называется L–S связью. В основном она реализуется для
основных состояний лёгких ядер.
    В случае, когда спин-орбитальное взаимодействие много больше
электростатического, полные моменты отдельных электронов объединяются в
полный момент атома
.
Такая схема связи называется j–j связью и реализуется в основном в тяжелых
ядрах.
    Для определения основного терма данной конфигурации используют
эмпирические правила Хундта.

1. Ниже по энергии лежит терм, у которого мультиплетность является максимальной.

2. При равенстве мультиплетностей нескольких термов минимальной энергией
   обладает терм с максимальным значением суммарного орбитального момента
   конфигурации.

3. Если атомная подоболочка заполнена менее, чем наполовину, наименьшую
   энергию имеет состояние с минимальным значением J, если атомная оболочка
   заполнена более, чем наполовину, то наименьшую энергию имеет состояние
   с максимальным J.

    Наряду с электронной конфигурацией, соответствующей
наибольшей энергии связи всех электронов атома, при возбуждении одного или
нескольких электронов образуются возбуждённые электронные конфигурации.
Переходы между различными термами атома образуют спектр возбуждённых состояний
атома.

Как делили «неделимого» | Политех (Политехнический музей)

Слово «атом», как известно, происходит от греческого слова «неделимый»: веками атомы считались мельчайшими, наименьшими, неразложимыми частицами материи. И действительно, безуспешные попытки химиков XVII–XIX веков разделить атомы на составные части, казалось, доказывали это. Но тут в дело вмешались физики.

В 1860-х обнаружилось, что из подключенного к электрической сети катоду исходят лучи, а в 1890-х выяснилось, что это поток легких отрицательно заряженных частиц (сегодня их называют электронами). В те же годы супруги Кюри открыли радиоактивность, а Резерфорд разделил его на альфа–, бета– и гамма-излучение.

После их открытий как из рога изобилия посыпались новые изотопы, масса которых в ту или иную сторону отличалась от давно установленных масс «обычных» элементов. Некоторые химики еще какое-то время пытались втиснуть их в Периодическую таблицу. Однако большинству ученых стало ясно, что проблема не в элементах, а в представлении об атоме.

Вместо неделимого шарика он оказался сложной системой с пока неясной внутренней структурой — но какой? Похож атом на шарик или на бублик? А может, на облако?… Прежде чем наука пришла к современным представлению о строении атома, физикам пришлось рассмотреть (и во многом отбросить) более простые модели.

Модель Демокрита (около 400 года до н. э.)

«Атом» каждого вещества представляет собой что-то вроде крошечной копии этого вещества. Например, «атом» острого перца — штука с колючими углами, зато атом сладкого меда — круглый и приятный.

Модель Джона Дальтона (около 1802 года)

Каждый атом — крошечная, неделимая и неуничтожимая сфера; у любого элемента он имеет свои уникальные размеры и свойства (последнее в целом верно и в рамках современных представлений).

Модель Уильяма Томсона, лорда Кельвина (1867 год)

Атомы имеют форму кольца и удерживают структуру за счет вихревого движения, как кольца дыма. Сплетаясь в сложные узлы и узоры, они получают соответствующие свойства.

Модель Джозефа Томсона (1897 год)

Атом похож на булку с изюмом: положительно заряженный сгусток материи, «хлеба», внутри которого распределены отрицательные электроны.

Модель Филиппа фон Ленарда (1903 год)

Атом — это пустота, в которой концентрируются подвижные частицы–«динамиды». Каждая из них, как магнит два полюса полюса, несет по сторонам разные заряды — положительный и отрицательный.

Модель Хантаро Нагаоки (1904 год)

Атом похож на планету Сатурн: массивное, положительно заряженное ядро в центре окружено кольцом из движущихся вокруг него быстрых электронов.

Модель Эрнеста Резерфорда (1911 год)

Атом — как Солнечная система, с положительно заряженным, крошечным, но тяжелым ядром, вокруг которого по орбитам движутся «планеты» электронов. Эта модель куда лучше объясняла многие эксперименты, но не отвечала на вопрос, почему атомы способны существовать, а их электроны не падают на ядро.

Модель Бора (1913 год)

Усовершенствованная планетарная модель Резерфорда, электроны в которой движутся не по любым, а лишь по разрешенным, стационарным орбитам, переходя с одной на другую «скачками», при получении или потере порции (кванта) энергии. Это объяснило и устойчивость атома, и данные спектроскопических экспериментов.

Квантово-механическая модель (1920–1930)

Современное представление о строении атома, с компактным, тяжелым, положительно заряженным ядром из протонов и нейтронов, которое окружено отрицательными электронами. При этом они движутся вокруг ядра «размазанными» практически по всему объему атома, заполняя энергетически разрешенные орбитали.

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Группа ученых из Германии, Греции, Нидерландов, США и Франции получила снимки атома водорода. На этих изображениях, полученных при помощи фотоионизационного микроскопа, видно распределение электронной плотности, которое полностью совпадает с результатами теоретических расчетов. Работа международной группы представлена на страницах Physical Review Letters.

Суть фотоионизационного метода заключается в последовательной ионизации атомов водорода, то есть в отрывании от них электрона за счет электромагнитного облучения. Отделившиеся электроны направляются на чувствительную матрицу через положительно заряженное кольцо, причем положение электрона в момент столкновения с матрицей отражает положение электрона в момент ионизации атома. Заряженное кольцо, отклоняющее электроны в сторону, играет роль линзы и с его помощью изображение увеличивается в миллионы раз.

Этот метод, описанный в 2004 году, уже применялся для получения «фотографий» отдельных молекул, однако физики пошли дальше и использовали фотоионизационный микроскоп для исследования атомов водорода. Так как попадание одного электрона дает всего одну точку, исследователи накопили около 20 тысяч отдельных электронов от разных атомов и составили усредненное изображение электронных оболочек.

В соответствии с законами квантовой механики, электрон в атоме не имеет какого-то определенного положения сам по себе. Лишь при взаимодействии атома с внешней средой электрон с той или иной вероятностью проявляется в некоторой окрестности ядра атома: область, в которой вероятность обнаружения электрона максимальна, называется электронной оболочкой. На новых изображениях видны различия между атомами разных энергетических состояний; ученые смогли наглядно продемонстрировать форму предсказанных квантовой механикой электронных оболочек.

При помощи других приборов, сканирующих туннельных микроскопов, отдельные атомы можно не только увидеть, но и переместить в нужное место. Эта техника около месяца назад позволила инженерам компании IBM нарисовать мультфильм, каждый кадр которого сложен из атомов: подобные художественные эксперименты не имеют какого-то практического эффекта, но демонстрируют принципиальную возможность манипуляций с атомами. В прикладных целях используется уже не поатомная сборка, а химические процессы с самоорганизацией наноструктур или самоограничением роста одноатомных слоев на подложке.

Физики получили «пустотелый» атом — без электронов на внутренних орбитах — Газета.Ru

Американские физики с помощью мощнейшей в мире рентгеновской лазерной установки смогли с высокой точностью контролировать поведение отдельных электронов в атоме, что позволило им «счищать» их один за другим, или получить «пустотелый» атом — без электронов на внутренних орбитах, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Авторы исследования, Линда Янг из Аргоннской национальной лаборатории (США) и ее коллеги проводили эксперименты на рентгеновском лазере на свободных электронах LCLS (Linac Coherent Light Source), установленном в национальной ускорительной лаборатории в Стэнфордском университете. Этот прибор начал работать в апреле 2009 года, и группа Янг стала одной из первых научных групп, опубликовавших полученные с помощью LCLS результаты. Ученые фокусировали луч рентгеновского лазера на струе из неона, а затем с помощью специальных детекторов исследовали электроны и ионы, возникшие после облучения. При этом они варьировали энергию рентгеновского лазера с 0,8 до 2 килоэлектронвольт и меняли длительность импульсов с 230 до 80 фемтосекунд (квадриллионных долей секунды). В результате им удалось получить как «очищенные», так и «пустотелые» атомы неона.

Атомы этого инертного газа имеют по десять электронов: два во внутренней оболочке и восемь — на внешней. Рентгеновский фотон с энергией 0,87 килоэлектронвольт, попадая в атом, «вышибал» электрон из внутренней оболочки. Менее энергичные фотоны «очищали» атом снаружи, выбивая электроны с внешней оболочки. При этом пустотелым атом оставался очень недолго — пустое место быстро заполнялось электроном с внешней оболочки.
Однако Янг и ее коллеги показали, что принципиально новые физические эффекты наблюдаются, когда энергия рентгеновских фотонов превышала 0,99 килоэлектронвольт. В этом случае лазер мог выбить оба электрона из внутренней оболочки атома, ионизуя его изнутри и лишая его способности абсорбировать рентгеновские лучи до того момента, как вакансии вновь не заполнялись. При подъеме энергии до 2 килоэлектронвольт время жизни пустотелых атомов значительно растягивалось.

В это время вещество лучше рассеивало излучение, чем поглощало, что ученые назвали радиационной «закалкой» атомов. «Эта прозрачность, связанная с «пустыми» атомами, может быть полезным свойством для будущих экспериментов по «просвечиванию» вещества с целью исследований молекулярных и атомных структур, поскольку уменьшает число фотонов, повреждающих вещество, и увеличивает рассеивание, с помощью которого и формируется изображение», — считает Янг.

3.2.1. Строение атома — Энергетика: история, настоящее и будущее

3.2.1. Строение атома

Все в мире состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы взаимодействующих атомов. Молекулы — это наименьшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства. Молекула состоит из одинаковых (в простом веществе) или разных (в химическом соединении) атомов, объединенных химическими связями.

Атом – наименьшая частица химического элемента, которая является носителем его химических свойств. Все атомы химических элементов имеют одинаковую структуру. Их линейный размер в диаметре составляет примерно 10^-10м. Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов, которые размещены на электронных орбитах атома.

Электроны в атоме сгруппированы по оболочкам (слоям), которые принято обозначать буквами К, L, М, N, O, P, Q. Строение электронных оболочек подчинено строгому физическому закону – «в одном атоме не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же энергетическом состоянии». Это состояние определяется тремя параметрами: энергией связи электрона в атоме, характером его вращения вокруг ядра (орбитальным моментом) и вращения вокруг собственной оси (спином). Каждая электронная орбита соответствует вполне конкретному значению энергии связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме. Электроны, получившие дополнительную энергию, могут переходить на орбиту, более удаленную от ядра, или вообще покидать пределы атома. Состояние атома, в котором электроны перешли со свойственной им оболочки на более удаленную от ядра орбиту, является, как правило, неустойчивым. Время его нахождения в таком возбужденном состоянии не превышает 10^-8с. При переходе электрона с удаленной на более близкую к ядру орбиту выделяется энергия.

Ядро – центральная часть атома, состоящая из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими силами притяжения, возникающими за счет обмена квантами так называемого «сильного» взаимодействия. Размеры ядра примерно в 10–100 тысяч раз меньше линейных размеров атома (диаметр ядра порядка 10^-14м). Несмотря на относительно малые размеры ядра, в нем сосредоточена практически вся масса атома, что обусловливает очень высокую плотность ядерного вещества. Масса ядра несколько ниже суммы масс составляющих его протонов и нейтронов в свободном состоянии. Эта разница называется «дефектом массы».

Ядро элемента X принято обозначать как илиX7A, где Z – заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра;A– массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.

Протон – элементарная частица, носящая единичный положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Он является ядром атома простейшего водорода.

Нейтрон – незаряженная элементарная частица с массой покоя, несколько превышающей массу протона. В свободном состоянии нейтрон – неустойчивая частица и претерпевает превращения. Большая проникающая способность нейтронов объясняется тем, что эти частицы не заряжены. Они свободно пролетают сквозь атомы, не взаимодействуя с их электронами и не задерживаясь в своем движении, если только не сталкиваются с ядрами.

Протон и нейтрон обозначаются соответственно и, где нижние индексы обозначают заряд, а верхние – массу в атомных единицах массы (а. е. м.), которая округляется до единицы. В качестве а. е. м. принята 1/12 часть массы атома углерода. Масса протона и нейтрона в 1840 раз больше массы электрона. Для протонов и нейтронов существует общее название нуклоны. Положительный заряд ядра определяется количеством протонов в нем. Атом любого химического элемента характеризуется двумя главными параметрами: массовым числом и атомным номером элемента в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Массовое число А– суммарное число протонов и нейтронов в ядре данного атома. Атомный номер Z–число протонов, входящих в состав ядра. Исходя из этих определений, число нейтронов в ядре равно N=A–Z.

Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. В качестве примера можно привести природный уран, который имеет три изотопа:В настоящее время известно около 1500 изотопов. Одни из них устойчивые (стабильные), другие – неустойчивые, радиоактивные.

Заряд и массовое число являются основными характеристиками атомных ядер. Разновидности атомов, характеризующиеся определенным массовым числом и атомным номером, называют нуклидами и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например:В периодической системе элементы расположены строго последовательно в порядке возрастания заряда ядер их атомов. При этом свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. В каждом периоде системы химических элементов Д.И. Менделеева идет построение нового электронного слоя, а в больших периодах также достройка внутренних слоев. Поэтому число электронных слоев в атоме обычно равно номеру периода, в котором находится соответствующий элемент.

При нормальном состоянии атома количество его электронов, движущихся вокруг ядра, соответствует количеству протонов в ядре, что приводит к нейтрализации суммарных отрицательных зарядов электронов и положительного заряда ядра. В этом состоянии атом является электрически нейтральной системой.

Устойчивость атомных ядер обусловлена ядерными силами притяжения, удерживающими нуклоны в ядре. Особенность их заключается в том, что они достаточно велики на расстояниях, сопоставимых с размерами ядра (в 2–3 раза превосходят силы отталкивания Кулона, действующие между заряженными частицами, входящими в состав ядра). Эта особенность ядерных сил обусловлена энергией связи, которая составляет несколько миллионов электрон-вольт, что от нескольких сотен до нескольких тысяч раз превышает энергию связи электрона в атоме. При этом важно подчеркнуть, что устойчивость ядер атомов обеспечивается лишь при вполне определенных соотношениях протонов и нейтронов. Для легких ядер их число почти одинаково, для тяжелых – доля нейтронов возрастает. Ядра атомов, которые находятся в конце таблицы Менделеева (с атомным номером Z>82), как правило, неустойчивы. При увеличении суммарного числа нуклонов уменьшается сила ядерных притяжений и эффект кулоновских сил отталкивания начинает превалировать. В таких атомах силы ядерных притяжений уже не хватает для обеспечения полной устойчивости ядер, что приводит к процессам их внутренней перестройки (самопроизвольным превращениям), сопровождающимся выделением энергии. Таким образом, у химических элементов с атомным номером (зарядом ядра) Z<83 существуют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. У элементов с атомным номером Z>84 имеются лишь радиоактивные изотопы. Такие изотопы называют радионуклидами.

Процесс спонтанного перехода атомного ядра в другое ядро или ядра с испусканием при этом различных частиц называется радиоактивным распадом, или радиоактивностью.
 

Что такое атом?

Версия для печати

Наука 101 Комиссии по ядерному регулированию: Что такое атом?

Атом считается основным строительным блоком материи. Все, что имеет массу, другими словами, все, что занимает пространство, состоит из атомов. В то время как его название первоначально относилось к частице, которую невозможно больше разделить — наименьшей возможной вещи, — теперь мы знаем, что каждый атом обычно состоит из более мелких частиц. Учитывая, что эти частицы составляют атомы, их часто называют субатомными частицами.Есть три субатомных частицы: протоны, нейтроны и электроны.

Две субатомные частицы имеют электрические заряды: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный. С другой стороны, нейтроны не имеют заряда. Основное правило состоит в том, что частицы с одинаковым зарядом отталкиваются друг от друга, а частицы с противоположным зарядом притягиваются друг к другу. Таким образом, как и противоположные концы магнита, протоны и электроны притягиваются друг к другу.Точно так же, как когда вы испытываете сопротивление, пытаясь сдвинуть одни и те же концы двух магнитов вместе, протоны отталкиваются от других протонов, а электроны отталкиваются от других электронов.

Ядро (или центр) атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядре, известное как «атомный номер», в первую очередь определяет место этого атома в Периодической таблице. Число протонов в ядре также в значительной степени определяет характеристики атома — будь то газ или металл, например.

Два атома с одинаковым числом протонов в ядрах принадлежат одному элементу. Элемент, такой как водород, кислород или железо, — это вещество, которое невозможно разложить — вне ядерной реакции — на что-либо еще. Другими словами, один элемент не может быть преобразован в другой (опять же, за исключением ядерных реакций).

Теперь, хотя протоны в элементе одинаковы, количество нейтронов может варьироваться от атома к атому. Количество нейтронов определяет, изотопом является атом.Это важно для NRC, потому что количество нейтронов относительно протонов определяет стабильность ядра, при этом некоторые изотопы подвергаются радиоактивному распаду. Хотя радиоактивный распад может происходить по-разному, это, проще говоря, процесс разрушения нестабильных атомов с высвобождением частиц (и энергии).

Вообще говоря, атомы с примерно одинаковым числом протонов и нейтронов более устойчивы к распаду.
Ядро атома окружено облаком электронов.Помните, что электроны заряжены отрицательно и притягиваются к положительно заряженным протонам в ядре. Атом считается электрически нейтральным, если в нем равное количество протонов и электронов. Если в атоме разное количество электронов и протонов, он называется ионом.

Важно знать, что электроны могут передаваться от одного атома к другому или даже разделяться между атомами (позволяя атомам связываться друг с другом). Эти связи позволяют образовывать молекулы, комбинации атомов (в том числе различных элементов).Подобно тому, как несколько атомов составляют молекулу, многие молекулы составляют химическое вещество.

Комиссия по ядерному регулированию США — это независимое федеральное правительственное агентство, ответственное за регулирование коммерческого использования ядерных материалов. Этот документ не защищен авторскими правами и может быть воспроизведен в образовательных целях.

Страница Последняя редакция / обновление 19 марта 2020 г.

Почему атомы всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов?

Категория: Химия Опубликовано: 7 июня 2013 г.

Атомы без равного количества электронов и протонов встречаются чаще, чем многие думают, например, атомы в поваренной соли.Public Domain Image, источник: Кристофер С. Бэрд.

Атомы не всегда содержат одинаковое количество электронов и протонов, хотя это состояние является обычным. Когда атом имеет равное количество электронов и протонов, он имеет равное количество отрицательных электрических зарядов (электронов) и положительных электрических зарядов (протонов). Таким образом, общий электрический заряд атома равен нулю, и атом называется нейтральным. Напротив, когда атом теряет или получает электрон (или более редкий случай потери или получения протона, что требует ядерной реакции), общие заряды в сумме не равны нулю.Тогда говорят, что атом электрически заряжен или «ионизирован». Существует большая разница между нейтральным состоянием и ионизированным состоянием. В нейтральном состоянии атом имеет слабое электромагнитное притяжение к другим атомам. Обратите внимание, что электрическое поле нейтрального атома слабое, но не совсем равно нулю, потому что атом не точечная частица. Если другой атом подойдет достаточно близко к атому, они могут начать делиться электронами. Химически мы говорим, что атомы образовали связи.

В отличие от нейтральных атомов, поле ионизированного атома велико даже на больших расстояниях.Сильное электрическое поле ионов заставляет их сильно притягиваться к другим атомам и молекулам до такой степени, что они обладают высокой химической реактивностью. Ионизированные атомы могут быть свободными радикалами, то есть атомами с оборванной связью, которые обладают высокой реакционной способностью. В организме человека свободные радикалы могут реагировать с ДНК, что приводит к мутациям и, возможно, к раку. Атомы становятся ионизированными, когда свет с достаточной энергией сбивает часть их электронов. Только световые волны на частотах рентгеновских и гамма-лучей обладают достаточной энергией для ионизации атомов и, следовательно, приводят к раку.Канцерогенная сила только определенных частот — вот почему вы можете использовать свой мобильный телефон столько, сколько хотите, но получить рентгеновский снимок можно только в редких случаях. Свободные радикалы встречаются в вашем теле естественным образом. Они становятся опасными только тогда, когда свободных радикалов больше, чем может выдержать ваше тело.

Но не все ионы в организме плохие. Из-за заряженной природы ионов человеческое тело использует их для передачи электрических сигналов по нервам. Организм также использует ионы для контроля уровня жидкости и артериального давления.Наиболее часто используемые ионы в организме человека — это натрий, калий, кальций, магний и хлорид. Ионы также образуются всякий раз, когда вы электростатически заряжаете объект, например, когда вы натираете воздушный шар о волосы. По этой причине вашу сушильную машину можно рассматривать как ионный генератор. Когда одежда натирается в машине, электроны переходят от одного атома к другому. Результатом является знакомое всем статическое цепляние. Электричество и сильные электрические поля создают ионы (вспомните молнии).

Нейтральное состояние атома обычно является наиболее стабильной конфигурацией (если молекулярные связи и химическая среда не усложняют картину), поэтому ионы имеют тенденцию разряжаться и возвращаться в свое нейтральное состояние с течением времени. Причина этого в том, что как ион атом имеет сильное электрическое поле, которое притягивает необходимый электрон или необходимый атом, чтобы забрать свой лишний электрон. Но как только атом становится нейтральным, он имеет равное количество электронов и протонов, у него не очень сильное поле, и поэтому у него мало возможностей для изменения.

Темы:
атом, атомы, заряд, электромагнетизм, электрон, электроны, ион, ионизация, ионизация, нейтральные атомы, протон, протоны, статика

Наука на расстоянии

RadTown Radioactive Atom: информация для учителя

Активность радиоактивного атома

Атомы — это основные строительные блоки всей материи.Ионизирующее излучение может исходить от нестабильных (радиоактивных) атомов или производиться машинами. Когда нестабильные атомы распадаются и пытаются стать стабильными, ядра выделяют энергию в виде ионизирующего излучения (альфа-частицы, бета-частицы и гамма-лучи). Выделяемая энергия называется ионизирующим излучением, потому что у нее достаточно энергии, чтобы сбить прочно связанные электроны с орбиты атома. Это заставляет атом стать заряженным ионом.

На этой странице:

Справочная информация для учителей

В начале 20 века новозеландский ученый Эрнест Резерфорд провел эксперимент, в котором он стрелял относительно большими электрически заряженными частицами (альфа-частицами) в тонкую золотую фольгу.Он обнаружил, что большая часть частиц проходит прямо через фольгу, но некоторые отрываются под разными углами, как если бы они были отклонены. Резерфорд пришел к выводу, что атомы в основном представляют собой пустое пространство, но каждый из них содержит плотную область — центральную массу, через которую альфа-частицы не могут проходить. Он определил, что эта центральная масса должна иметь положительный заряд, чтобы отклонять положительно заряженные альфа-частицы. Это происходит потому, что одинаковые заряды или магнитные поля (от положительного к положительному или от отрицательного к отрицательному) отталкиваются, что было продемонстрировано при попытке разместить вместе одинаковые полюса магнитов (с севера на север или с юга на юг).

Теория атомной структуры Резерфорда-Бора

Простая схема атома.

Резерфорд и датский ученый Нильс Бор разработали способ размышления о структуре атома, в котором атом выглядит как наша солнечная система. В центре каждого атома находится ядро, которое можно сравнить с солнцем. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, подобным тому, как планеты вращаются вокруг Солнца.

Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.Ядро содержит протоны и нейтроны; вместе они называются нуклонами.

Протоны — положительно (+) заряженные частицы. Нейтроны электрически нейтральны и не имеют электрического (0) заряда. Протоны и нейтроны примерно в 1800 раз тяжелее электрона, который вращается вокруг ядра как облако. Электроны заряжены отрицательно (-) и уравновешивают положительный электрический заряд протонов в ядре. Понимание ученых об атомной структуре продолжало развиваться. Тем не менее, мы отдаем должное Теории атомной структуры Резерфорда-Бора за то, что она предоставила нам основу для понимания атомного

.

Определение структуры нейтрального атома

Нейтральные атомы имеют одинаковое количество протонов (+) и электронов (-).Мы можем использовать периодическую таблицу, в частности атомный номер и атомную массу для каждого элемента, чтобы определить структуру нейтральных атомов. Атомный номер, уникальный для каждого элемента, указывает количество протонов в атоме. Например, все атомы водорода имеют 1 протон, все атомы углерода имеют 6 протонов и все атомы кислорода имеют 8 протонов. Нейтральные атомы имеют одинаковое количество протонов и электронов. Следовательно, атомы водорода имеют 1 протон и 1 электрон, атомы углерода имеют 6 протонов и 6 электронов, а атомы кислорода имеют 8 протонов и 8 электронов.

Атомы настолько малы, что нет смысла вычислять их массу в тех же единицах, которые мы используем каждый день, например, в унциях или граммах. Ранние ученые-радиологи разработали единицу атомной массы (AMU) для расчета атомной массы. Атомная масса указывает количество нуклонов (протонов и нейтронов). Чтобы вычислить количество нейтронов в атоме, мы округляем атомную массу до ближайшего целого числа и вычитаем атомный номер или количество протонов из атомной массы. Например:

• Углерод: 12 (атомная масса) — 6 (атомный номер) = 6.Результат показывает, что атом углерода имеет 6 нейтронов, 6 протонов и 6 электронов.

Что удерживает вместе части атома?

Противоположные электрические заряды протонов и электронов удерживают электроны на орбите вокруг ядра атома. Внутри ядра электромагнитные силы стремятся оттолкнуть положительно заряженные протоны (и, как следствие, все ядро) друг от друга. Однако ядро ​​удерживается вместе с помощью так называемой сильной ядерной силы притяжения между нуклонами: протон-протон, нейтрон-нейтрон и протон-нейтрон.Это сильное ядерное взаимодействие чрезвычайно мощно и распространяется только на очень короткое расстояние — около диаметра протона или нейтрона. Сильному ядерному взаимодействию помогает присутствие нейтронов (чтобы помочь противостоять конкурирующим или отталкивающим силам протонов) или обмен частицей, называемый мезоном.

Почему некоторые атомы радиоактивны?

Тонкий баланс сил между частицами сохраняет ядро ​​стабильным. Любое изменение числа, расположения или энергии нуклонов может нарушить этот баланс и привести к тому, что ядро ​​станет нестабильным и создаст радиоактивный атом.Разрушение электронов вблизи ядра также может вызвать излучение атома.

Могут ли нестабильные атомы стать стабильными?

Когда нестабильное ядро ​​пытается стать стабильным, оно испускает излучение и превращается в другой элемент по мере изменения количества протонов. Этот процесс называется радиоактивным распадом, и он продолжается до тех пор, пока силы в ядре не уравновесятся и не станут стабильными. Другая сила, так называемая слабая ядерная сила, ответственна за радиоактивный распад. Примером слабого ядерного взаимодействия являются реакции ядерного синтеза, которые приводят в действие наше Солнце и дают энергию для поддержания жизни на Земле.Нестабильные атомы будут пытаться стать стабильными, превратившись в новый изотоп или элемент, и энергия будет высвобождаться в форме ионизирующего излучения до тех пор, пока силы в ядре не уравновесятся и не станут стабильными. Серия изменений, которым подвергается данный радиоактивный элемент, называется цепочкой распада. Ниже приводится пример цепочки распада урана-238.

Источник: Геологическая служба США (USGS)

Каждый радиоактивный элемент распадается с уникальной скоростью. Эта скорость известна как период полураспада; время, необходимое примерно половине радиоактивных атомов в образце, чтобы распасться в более стабильную форму. Изображение выше показывает, что период полураспада радия-226 составляет 1602 года. Таким образом, каждые 1602 года примерно половина атомов радия-226 в образце распадается и превращается в радон-222 (следующий элемент в цепочке распада). Обратите внимание, что уран, радий и свинец являются металлами, а радон — инертным газом при нормальных условиях. Возможно, что при распаде радиоактивных элементов их форма (металл, газ, жидкость и т. Д.) Может измениться.

Период полураспада медленно распадающихся элементов, таких как уран-238 и углерод-14, можно использовать для определения возраста органического вещества.Рентгенологи также используют информацию о периоде полураспада для корректировки времени экспонирования пленки для рентгеновских лучей и сканирования с использованием других форм ионизирующего излучения.

Все ли ионизирующие излучения одинаковы?

При распаде радиоактивных атомов они выделяют энергию в виде ионизирующего излучения (альфа-частицы, бета-частицы и / или гамма-лучи). Эта энергия называется ионизирующим излучением, потому что ее энергии достаточно, чтобы сбить прочно связанные электроны с орбиты атома. Это заставляет атом стать заряженным ионом.

Альфа-частицы

Изображение альфа-частицы, испускаемой ядром.

Когда отношение нейтронов к протонам в ядре слишком низкое, определенные атомы восстанавливают баланс, испуская альфа-частицы. Альфа-частица — это положительно заряженная (+2) частица, состоящая из двух нейтронов и двух протонов. Это относительно тяжелые частицы высокой энергии, которые не могут проникнуть через большую часть материи. Листа бумаги или мертвых внешних слоев кожи достаточно, чтобы остановить альфа-частицы.Эксперимент Резерфорда (описанный выше) включал чрезвычайно тонкую золотую фольгу, через которую проникали альфа-частицы. Радиоактивный материал, излучающий альфа-частицы (альфа-излучатели), может быть очень вредным при вдыхании, проглатывании или абсорбции в кровоток, поскольку внутренние органы подвергаются большему воздействию без защитного слоя клеток кожи.

Бета-частицы

Изображение бета-частицы.

Эмиссия бета-частиц происходит, когда отношение нейтронов к протонам в ядре слишком велико.В этом случае избыточный нейтрон превращается в протон и электрон. Протон остается в ядре, а электрон (-1) выбрасывается энергично. Этот процесс уменьшает количество нейтронов на один и увеличивает количество протонов на один. Поскольку количество протонов в ядре атома определяет элемент, преобразование нейтрона в протон фактически превращает радиоактивный элемент (радионуклид) в другой элемент.

Скорость отдельных бета-частиц зависит от того, сколько у них энергии, и варьируется в широких пределах.Бета-частицы можно остановить одним или двумя слоями одежды или несколькими миллиметрами вещества, такого как алюминий. Они способны проникать через кожу и вызывать радиационные повреждения, например ожоги кожи. Как и в случае с альфа-излучателями, бета-излучатели наиболее опасны при вдыхании или проглатывании.

Гамма-лучи

Изображение гамма-луча.

Гамма-излучение — это ионизирующее излучение очень высокой энергии. Гамма-лучи не имеют массы и электрического заряда — это чистая электромагнитная энергия.Гамма-лучи движутся со скоростью света и могут преодолевать от сотен до тысяч метров по воздуху, прежде чем расходовать свою энергию. Они могут легко преодолевать препятствия, такие как кожа и одежда. Гамма-лучи обладают такой проникающей способностью, что может потребоваться несколько дюймов плотного материала, такого как свинец, или несколько футов бетона, чтобы остановить их. Гамма-лучи могут легко полностью проходить через человеческое тело; при прохождении через них возможно повреждение тканей и ДНК.

Целевая аудитория и темы деятельности

Мероприятия RadTown Radioactive Atom разработаны, чтобы помочь учащимся средних и старших классов определить структуру атома и описать структурные изменения, которые происходят в нестабильных (радиоактивных) атомах при их распаде.Студенты узнают о теории атомной структуры Резерфорда-Бора и будут использовать периодическую таблицу для определения атомной структуры элемента. Студенты также узнают о процессе радиоактивного распада и типах ионизирующего излучения, испускаемого радиоактивными атомами при их распаде. Кроме того, студенты узнают о часто встречающихся радиоактивных элементах, делении и синтезе.

ПРИМЕЧАНИЕ: Термин «излучение», используемый в деятельности, обычно относится к ионизирующему излучению, если не указано иное.

Время занятий

Все радиационные образовательные мероприятия EPA RadTown можно использовать по отдельности или изменять и комбинировать для создания нескольких уроков. Параметры занятий позволяют настраивать занятия в соответствии с имеющимся у вас временем (например, 1-2 академических часа) и отвечать потребностям и интересам ваших учеников.

Время, необходимое для выполнения действий, составляет от 45 до 60 минут, не считая дополнительных мероприятий или расширений.

Научные стандарты нового поколения

Концепции в этих наборах действий могут использоваться для поддержки следующих научных стандартов:

• PS1. Строения и свойства материи
• PS2. Силы и взаимодействия

Common Core State Standards (CCSS)

Понятия в Vocabulary Activities соответствуют следующим

• CCSS English Language Arts Standards for Literacy in History / Social Studies, Science, and Technical Subjects:
  • CCSS.ELA-LITERACY.RST.6-12.2 Ключевые идеи и детали
  • CCSS.ELA-LITERACY.RST.6-12.4 Craft and Structure
  • CCSS.ELA-LITERACY.L.6-12.6 Пополнение и использование словарного запаса

Концепции в деятельности «Атомные открытия» соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS English Language Arts для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • CCSS.ELA-LITERACY.SL6-12.1 Понимание и сотрудничество
  • CCSS.ELA-LITERACY.SL6-12.4 Представление знаний и идей
  • CCSS.ELA-LITERACY.SL6-12.5 Презентация знаний и идей
  • CCSS.ELA-WHST.SL6-12.1 Типы и назначение текстов

Понятия в упражнении «Атомная математика и стенография» соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS English Language Arts Standards для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • CSSS. ELA-Literacy.SL.6-12.1 Понимание и сотрудничество
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.4 Craft and Structure
  • СССИ.ELA-Literacy.RST.6-12.7 Интеграция знаний и идей
  • CSSS.ELA-Literacy.WHST.6-12.9 Исследования для накопления и представления знаний
• Стандарты математики CCSS:
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP1
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP2

Концепции деятельности Strong Nuclear Forces соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS Language Arts для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • СССН.ELA-Literacy.SL.6-12.1 Понимание и сотрудничество
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.7 Интеграция знаний и идей
  • CSSS.ELA-Literacy.WHST.6-12.1 Типы и назначение текста

Концепции в деятельности по атомной стабильности соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS Language Arts для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • CSSS. ELA-Literacy.SL.6-12.1 Понимание и сотрудничество
  • СССИ.ELA-Literacy.SL.6-12.5 Презентация знаний и идей
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.7 Интеграция знаний и идей
  • CSSS.ELA-Literacy.WHST.6-12.1 Типы и назначение текста
• Стандарты математики CCSS:
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP1
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP2

Концепции в деятельности Half-Life соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS Language Arts для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • СССН.ELA-Literacy.SL.6-12.1 Понимание и сотрудничество
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.4 Craft and Structure
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.7 Интеграция знаний и идей
  • CCSS.ELA-Literacy.WHST.6-12.1 Типы и назначение текстов
  • CSSS.ELA-Literacy.WHST.6-12.9 Исследования для накопления и представления знаний
• Стандарты математики CCSS:
  • CCSS.MATH.PRACTICE. MP1
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP2

Концепции деятельности «Цепочка радиоактивного распада» соответствуют следующим:

• Стандарты CCSS Language Arts для грамотности по истории / обществознанию, естествознанию и техническим предметам:
  • СССН.ELA-Literacy.SL.6-12.4 Презентация знаний и идей
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.4 Craft and Structure
  • CSSS.ELA-Literacy.RST.6-12.7 Интеграция знаний и идей
• Стандарты математики CCSS:
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP1
  • CCSS.MATH.PRACTICE.MP2

Дополнительные ресурсы:

«>

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Что такое атом? — Определение с сайта WhatIs.com

Атом — это частица материи, которая однозначно определяет химический элемент.Атом состоит из центрального ядра, которое обычно окружено одним или несколькими электронами. Каждый электрон заряжен отрицательно. Ядро заряжено положительно и содержит одну или несколько относительно тяжелых частиц, известных как протонов и нейтронов .

Протон заряжен положительно. Число протонов в ядре атома — это атомный номер для химического элемента . Протон имеет массу покоя, обозначенную m _p , приблизительно равную 1.673 x 10 ^-27 килограмм (кг). Нейтрон электрически нейтрален и имеет массу покоя, обозначенную m _n , приблизительно 1,675 x 10 ^-27 кг. Масса протона или нейтрона увеличивается, когда частица достигает экстремальной скорости, например, в циклотроне или линейном ускорителе.

Ранняя модель атома была разработана физиком Эрнестом Резерфордом в 1912 году. Он был первым, кто предположил, что атомы подобны миниатюрным солнечным системам, за исключением того, что сила притяжения вызывается не гравитацией, а противоположными электрическими зарядами.В так называемом атоме Резерфорда электроны вращаются вокруг ядра по круговым траекториям. Нильс Бор пересмотрел теорию Резерфорда в 1913 году. В атоме Бора отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг ядра на определенных средних расстояниях. Эти расстояния представлены сферами, называемыми оболочками , окружающими ядро. Электроны могут переходить от оболочки к оболочке. Когда электрон поглощает достаточно энергии, он перемещается в большую или большую оболочку. Когда он теряет определенное количество энергии, он падает на меньшую или более низкую оболочку.

Полная масса атома, включая протоны, нейтроны и электроны, равна атомной массе или атомной массе . Электроны составляют лишь крошечную часть этой массы. Для большинства практических целей атомный вес можно представить как количество протонов плюс количество нейтронов. Поскольку количество нейтронов в атоме может варьироваться, у большинства элементов может быть несколько различных атомных весов.

Атомы, имеющие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов, представляют один и тот же элемент, но известны как разные изотопы этого элемента.Изотоп для элемента определяется суммой количества протонов и нейтронов. Примерами различных изотопов элемента являются углерод 12 (наиболее распространенный нерадиоактивный изотоп углерода) и углерод 14 (менее распространенный радиоактивный изотоп углерода).

Протоны и электроны имеют равный и противоположный заряд, и обычно в анатоме их одинаковое количество. Таким образом, атомы обычно нейтральны. Ион — это атом с лишними электронами или с недостатком электронов, в результате чего он электрически заряжен.Ион с дополнительными электронами заряжен отрицательно и называется анионом ; Ион с недостатком электронов заряжен положительно и называется катионом .

10 увлекательных и забавных научных фактов об атомах

10 увлекательных и забавных научных фактов об атомах

Октябрь 2018

Что вы знаете об атомах? Проверьте свои знания с помощью этих увлекательных фактов.

1. Все во Вселенной состоит из атомов. Они являются основными строительными блоками всех типов материи во Вселенной.
2. Атомы невероятно малы, их диаметр составляет одну десятую миллиардной метра. Они такие маленькие, что их не увидеть даже под мощным микроскопом. Поскольку они такие маленькие, для создания чего-либо требуются триллионы атомов, например, в вашем теле 7 миллиардов миллиардов миллиардов атомов.
3. Атом состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Эти субатомные частицы — электроны, протоны и нейтроны.
4. Существует более 100 различных видов атомов — 92 природных и 8 созданных руками человека.Различные типы атомов зависят от количества электронов, протонов и нейтронов. Атомы также могут быть изменены посредством химических реакций и объединяться в молекулы.
5. Разные типы и количества атомов подходят друг к другу, чтобы образовать разные элементы, и объединяются по-разному, чтобы образовать разные типы материи, все со своим уникальным количеством протонов, нейтронов и электронов.
6. В центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов.Ядро чрезвычайно плотное и содержит всю массу атома. Поскольку ядро ​​так трудно расщепить, атомы могут существовать вечно.
7. Нейтроны не имеют заряда. Количество нейтронов в ядре играет важную роль в определении массы и радиоактивности атома.
8. Протоны — это положительно заряженные частицы в ядре атома. Каждый элемент, созданный в природе или созданный в лаборатории, имеет хотя бы один протон. Масса протона такая же, как у нейтрона, но в 1840 раз больше массы электрона.
9. Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые вращаются вокруг ядра за пределами ядра. Они вращаются так быстро, что ученым может быть сложно их наблюдать. Их притягивает положительный заряд протонов, и они являются самыми маленькими частицами в атоме — вы можете вместить 2000 из них в протон.