3. Масса атомного ядра Масса атомного ядра – Eсв(A,Z) = [Zmp + (A — Она определяет
MAc2 = MBc2 + Mαc2
MAc2 = MBc2 + mec2 + Qβ. В ядерной физике вместо массы ядра М
1 эВ − это энергия, приобретаемая частицей, имеющей |
Состав атомного ядра. Число протонов — урок. Химия, 8–9 класс.
Предложенная Э. Резерфордом в \(1911\) году ядерная (планетарная) модель строения атома сводится к следующим положениям:
- атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов;
- более \(99,96\) % массы атома сосредоточено в его ядре;
- диаметр ядра примерно в сто тысяч раз меньше диаметра самого атома.
Согласно этой модели можно дать следующее определение атома:
Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Ядро атома состоит из элементарных частиц: протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклоны (ядерные частицы).
Протон (\(p\)) — частица, имеющая заряд \(+1\) и относительную массу, равную \(1\).
Нейтрон (\(n\)) — частица без заряда с относительной массой \(1\).
К элементарным частицам относятся также электроны (\(e\)), которые образуют электронную оболочку атома.
Рис. \(1\). Строение атома
Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу. Масса электрона составляет 11840 массы протона и нейтрона. Поэтому основная масса атома сосредоточена в его ядре.
Протон имеет положительный заряд \(+1\). Заряд электрона — отрицательный и по величине равен заряду протона: \(–\)\(1\).
Частицы | Обозначения | Относительная масса | Относительный заряд |
Протон | \(p\) | \(1\) | \(+1\) |
Нейтрон | \(n\) | \(1\) | \(0\) |
Электрон | \(e\) | \(1/1840\) | \(–1\) |
Установлено, что число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента в Периодической таблице.
Заряд ядра определяется числом протонов в нём. Значит, заряд ядра тоже равен порядковому номеру элемента.
Атом — электронейтральная частица, поэтому число электронов в нём равно числу протонов.
Обрати внимание!
Порядковый номер элемента \(=\) заряд ядра атома \(=\) число протонов в ядре \(=\) число электронов в атоме.
Водород — элемент № \(1\). Заряд ядра его атома равен \(+1\). В ядре находится один протон, а в электронной оболочке — один электрон.
Углерод — элемент № \(6\). Заряд ядра его атома равен \(+6\), в нём — \(6\) протонов. В атоме содержится \(6\) электронов с общим зарядом \(–\)\(6\).
Обрати внимание!
Заряд ядра — главная характеристика атома.
Изучение строения атомных ядер привело к уточнению формулировки периодического закона. Современная формулировка звучит следующим образом:
cвойства химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величин зарядов ядер их атомов.
Источники:
Рис. 1. Строение атома © ЯКласс
Электрон и протон. В чем между ними разница?
Электроны и протоны — два основных компонента атома из трех. Ключевое различие между электроном и протоном состоит в том, что электрон — это заряженная частица с отрицательной полярностью. Напротив, протон — это заряженная частица, имеющая положительный заряд. И электрон, и протон являются фундаментальными компонентами атомной структуры и имеют собственное значение.
Что такое атом?
Мы знаем, что атом считается самой маленькой частицей, поскольку это фундаментальная единица, из которой состоит материя. Сам этот атом имеет 3 основные субатомные частицы, которые известны как электрон, протон и нейтрон.
Несколько атомов образуют молекулу, а атомы внутри молекулы связаны химическими связями. Электрический заряд атома поддерживает связь между атомами в молекуле. Среди электрона, протона и нейтрона электроны и протоны заряжены отрицательно и положительно соответственно, а нейтроны — нейтрально заряженные частицы.
Электроны и протоны обладают разными свойствами и находятся в разных местах внутри атома. Следовательно, есть основные различия между электроном и протоном, которые мы и обсудим в этой статье.
Сравнительная таблица
Параметры для сравнения | Электрон | Протон |
Обозначение | e | p |
Полярность | Отрицательный | Положительный |
Расположение в атоме | Вне ядра на четко определенной орбите | Внутри ядра |
Электрический заряд | -1 | +1 |
Масса | Меньше9·10-31 кг | Сравнительно больше 1,67·10-27 кг |
Способность перемещаться | Существует | Не существует |
Возможность покидать или добавляться к атому | Можно легко «выбить» из атома или добавить к нему | Процесс «выбивания/добавления» к атому очень энергозатратный и очень трудно осуществим |
Определение электрона
Электрон — субатомная частица атома, обладающая электрическим зарядом отрицательной полярности. В идеале внутри атома электроны находятся в сферических оболочках и движутся вокруг ядра по орбитальной траектории. А когда к электронам подводится внешняя энергия, они переходят от одного атома к другому.
По сути, энергия, передаваемая электронам, освобождает их от оболочек, таким образом, они становятся мобильными и прикрепляются к ближайшему к нему атому всякий раз, когда в этом конкретном атоме возникает недостаток электрона.
В случае проводников движение электронов является причиной протекания тока. Считается, что электрон имеет единичный электрический заряд, который обычно обозначается буквой e. Заряд электрона измеряется в кулонах и имеет значение около 1,602 · 10-19 Кл. И все электроны считаются одинаково похожими друг на друга.
Определение протона
Протон — еще одна крупная частица атома с зарядом положительной полярности. Это важный компонент атома, который образует ядро атома с нейтроном. Поскольку ядро атома находится в центре, таким образом, протон, несущий положительный заряд, присутствует в центре атомной
структуры.
Обозначается символом p и имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона: р = +1,602 · 10-19 Кл.
Примечательно то, что количество протонов, присутствующих в атоме, обозначает его атомный номер. Протоны и нейтроны, содержащиеся в ядре атома вместе, называют нуклонами. Поскольку электроны и протоны имеют одинаковые по значению заряды, но противоположной полярности, то между ними, внутри атома, существует сила притяжения.
По этой причине электроны ограничены и движутся по орбитальному пути. У атома одинаковое количество электронов и протонов, поэтому положительный и отрицательный заряды аннулируются, что делает атом электрически нейтральным.
Ключевые различия между электроном и протоном
- Электрон — это отрицательно заряженный компонент атома, тогда как протон — положительно заряженный компонент.
- Электроны находятся вне ядра в орбитальных оболочках. Протоны вместе с нейтронами образуют ядро атома и находятся в центре атомных ядер.
- Электроны очень подвижны, поскольку они присутствуют в орбитах атомов и могут легко их покидать при подаче внешней энергии. Однако, поскольку протон присутствует в ядре атома, он не подвижен и не может покидать ядро, в отличии от электрона, который находится на орбите.
- Полярность электронов отрицательна, а протона положительна.
- Масса протона в 2000 раз больше массы электрона. Как правило, масса электрона составляет 9,1 · 10-31 кг, а масса протона — 1,67 · 10-27 кг.
- «Добавление и удаление» электронов в атом происходит довольно легко при подаче внешней энергии из-за того, что они находятся на орбитах, а не в ядре. Добавление и удаление протонов — задача не из легких и требует большого количества энергии.
Вывод
Таким образом, можем сделать вывод, что электроны, протоны и нейтроны составляют атом. Сила притяжения между разнополярными зарядами, электронов и протонов, связывает субатомные частицы внутри самого атома, “без участия нейтрально заряженных нейтронов”.
Что у атома внутри
Валерия Сирота
«Квантик» №11, 2018
Слово «атом» по-гречески значит ‘неделимый’. Ещё древние греки придумали идею, что всё на свете, как из кирпичиков, сложено из крошечных «кусочков» — атомов. Но это было лишь одно из возможных предположений. Что это за кусочки и существуют ли они, никто не знал до XIX века, когда химики разобрались, что такое молекула, и составили список видов атомов — таблицу химических элементов.
А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).
Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.
Договорились считать, что у протонов положительный электрический заряд, у электронов — отрицательный. А у нейтронов электрический заряд — ноль. Получается правило: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, заряды разного знака — притягиваются.
Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.
Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!
Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу… Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?
И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же…
Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.
Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.
Протоны притягивают к себе электроны и заставляют их вертеться вокруг ядра, не улетая далеко. А нейтроны в электрическом взаимодействии не участвуют. Зачем же они тогда нужны? Затем, чтобы «склеивать» протоны в ядре — ведь протоны отталкиваются друг от друга электрическими силами, и без нейтронов они бы разлетелись в разные стороны! Силы, которыми нейтроны удерживают протоны вместе, — уже не электрические. Они действуют только на очень маленьких расстояниях — внутри ядра.
Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!
Масса атома — в единицах массы водорода — написана в каждой клетке внизу. Легко убедиться, что у нетяжёлых атомов нейтронов примерно столько же, сколько протонов. А у тяжёлых — нейтронов больше: всё труднее становится удерживать всю эту громоздкую конструкцию.
Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).
В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа. {3}_{1}\mathrm{H}\) — сверхтяжёлый водород, тритий.
Ну-ка, проверим — всё ли понятно?
Художник Мария Усеинова
А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.
Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.
Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (strong force), сильное взаимодействие.
Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее…
Загадка похудевшего протона | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW
Хотя общепринятая в физике элементарных частиц так называемая Стандартная модель является весьма стройной теоретической конструкцией, а предсказанные ею явления и эффекты с высокой точностью подтверждаются экспериментально, она все же не может считаться последним и окончательным словом в этой области знаний. И не только потому, что, описывая электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия, Стандартная модель не объясняет гравитацию, но еще и потому, что в последние годы исследователи в ходе сложных экспериментов все чаще получают результаты, не поддающиеся интерпретации в ее рамках.
Здесь можно упомянуть, скажем, о нейтринных осцилляциях, об асимметрии материи и антиматерии, о темном веществе и темной энергии и ряде других наблюдений, объяснить которые Стандартная модель не в состоянии. Неудивительно, что разработка так называемой «новой физики», то есть физики за пределами Стандартной модели, ведется сегодня чрезвычайно активно.
Старый знакомый протон
Прежде всего, это касается, конечно же, поиска и изучения разного рода экзотических частиц вроде бозона Хиггса, но не только. Теперь весьма неожиданные результаты получены и в отношении такой, казалось бы, хорошо изученной частицы как протон. Протон — частица, входящая в состав атомного ядра. Таких частиц, образующих атомное ядро и называющихся нуклонами, всего две: протон и нейтрон. Они по всем параметрам очень похожи друг на друга, с той лишь разницей, что протон — положительно заряженная частица, а нейтрон электрического заряда не несет.
Полвека назад считалось, что протон и нейтрон — неделимые, действительно элементарные частицы, однако сегодня известно, это не так. Они состоят из так называемых кварков — частиц, обладающих электрическим зарядом, кратным 1/3 заряда электрона, и не встречающихся в свободном состоянии. Существует 6 сортов (или, как их именуют физики, ароматов) кварков: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Протон состоит из одного нижнего и двух верхних кварков, нейтрон — из одного верхнего и двух нижних.
Два метода — один результат
Понятно, что при наличии такой структуры представлять себе нуклон в виде миниатюрного шарика не вполне верно, и это, конечно, затрудняет определение линейных размеров частицы. Тем не менее, такие измерения были выполнены, и даже не одним, а двумя разными методами. Альдо Антоньини (Aldo Antognini), научный сотрудник Швейцарской высшей технической школы Цюриха, поясняет: «Первый метод, примененный для определения размеров протона, состоял в бомбардировке водорода быстрыми электронами. Ядра атомов водорода — то есть протоны — рассеивали пучок электронов, и углы отклонения электронов от первоначальной траектории позволили определить приблизительный размер протона. За эти исследования в 1961 году была присуждена Нобелевская премия».
Позже был предложен второй метод, заключавшийся в облучении водородных атомов лазером. Анализируя то, как единственный электрон водорода реагирует на лазерные импульсы, исследователи смогли вычислить величину ядра. Оба метода дали идентичные результаты, и ученые решили, что диаметр протона (если все же принять его за шар) составляет примерно 0,88 фемтометра (фемтометр — это десять в минус пятнадцатой степени метра, то есть одна миллионная доля одной миллионной доли миллиметра).
Атом водорода с мюоном вместо электрона
Все было отлично до тех пор, пока Альдо Антоньини и его коллеги не предложили третий метод измерения размера протона. «В нашем эксперименте мы использовали мюонный водород. Это весьма экзотическая разновидность водорода, в атоме которого электрон заменен мюоном, — поясняет ученый. — У мюона такой же заряд, что и у электрона, но масса в 207 раз больше, поэтому мюонная оболочка такого атома водорода оказывается гораздо ближе к ядру, нежели электронная оболочка обычного водородного атома. Именно это и позволило нам с высокой точностью определить размер протона».
Стоит ли говорить о том, каких невероятных трудов это стоило! Мюоны просто так в природе практически «не водятся», так что исследователи получали их с помощью ускорителя, а затем бомбардировали ими протоны. Время от времени случалось, что протон захватывал пролетающий мимо мюон, образуя атом мюонного водорода. Но мюон — частица нестабильная, продолжительность ее жизни составляет чуть больше 2 микросекунд, затем она распадается. Таким образом, на измерения у физиков было всего лишь 2 микросекунды.
Ошибка эксперимента или новая физика?
Однако эксперимент все же удался. Но вот его результаты, опубликованные в журнале Science, изрядно озадачили ученых. «Мы были очень удивлены, поскольку получили значение, почти на 5 процентов меньшее прежнего: 0,84 вместо 0,88 фемтометра, — говорит Альдо Антоньини. — Это весьма существенное отклонение. Для его объяснения есть только две возможности: либо в наши эксперименты вкралась какая-то грубая ошибка, либо тут проявилась новая физика».
Чтобы прояснить ситуацию, потребуется обширная серия новых экспериментов. Возможно, при этом исследователи выявят неточности того или иного метода измерения и подтвердят либо прежнее, либо новое значение диаметра протона. Но не исключено также, что будет подтверждена зависимость размера протона от метода измерения: если использовать для этих целей электроны — он чуть больше, если мюоны — чуть меньше. Такое различие в поведении протона по отношению к электронам и мюонам противоречило бы Стандартной модели и потребовало бы от теоретиков немало находчивости для объяснения феномена.
Масса покоя нейтрона — Энциклопедия по машиностроению XXL
Масса покоя нейтрона
[c.23]
Масса покоя нейтрона ГПп 1,6749543-10 2 кг 1,008665012 а. е м. [c.350]
Масса покоя нейтрона в атомных единицах массы [c.17]
Масса покоя нейтрона т 1,67482(8) 10″ кг [c.22]
Энергия, эквивалентная массе покоя нейтрона, [c.348]
Масса покоя нейтрона т [c.237]
Масса покоя нейтрона 1,6749543 — 10 кг 1,008665012 а.е.м. [c.261]
Масса покоя нейтрона Мп 1,67482 кг 1,67482 10 24 г 2. 10 [c.60]
Масса покоя нейтрона гПп [c.539]
Постоянная (число) Фарадея (валентность = 1) Элементарный заряд Отношение заряда электрона к его массе Масса покоя электрона Масса покоя протона Масса покоя нейтрона Масса покоя мюона Отношение электрона [c. 14]
Масса покоя электрона Масса покоя протона Масса покоя нейтрона Масса покоя мюона Отношение масс протона и электрона
[c.14]
Нейтрон может превратиться в протон не только в ядре, но и тогда, когда он в свободном состоянии [радиоактивность свободного нейтрона). Масса покоя нейтрона превышает сумму масс покоя протона и электрона на Дт=0,837-10 а. е. м. ( 11.7.Г). Этой массе по закону взаимосвязи массы и энергии ( .4.11.Г) соответствует энергия АЕ=Ат-с =782 кэВ. Опыты показали, что свободный нейтрон является р-радиоактивным. Период полураспада свободных нейтронов равен (9,25 0,11)-10 с. Электроны, которые испускаются свободными нейтронами, имеют всевозможные энергии, причем наибольшая энергия Ермаке (п. 3 ) равна 782 кэВ в соответствии с предыдущим расчетом. [c.483]
Масса покоя нейтрона / 2 =1,6749543-10 кг. [c.555]
Масса покоя нейтрона 1,6749543-10-27 кг 1,008665012 а. е.м. [c.929]
ОНИ настолько прочно связаны (энергии связи сравнимы с массой покоя, умноженной на квадрат скорости света), что требуется относительно огромная энергия для отделения этих частиц от протона (или нейтрона) (рис. 15.8). В случае протона нужно подвести энергию, достаточную для образования энергетического эквивалента массы покоя и кинетической энергии образующихся частиц (рис. 15.9). [c.428]
Нейтроны входят в состав ядра. Нейтрон в свободном состоянии, в отличие от протона, является нестабильны.м и распадается на протон и электрон с периодом полураспада Т ж 1,01 10 сек (р-распад нейтрона). Внутри ядра нейтрон может существовать неопределенно долго. В 1931 —1933 гг. В. Паули, анализируя закономерности р-распада (см. 41), предположил, что при этом распаде, кроме протона и электрона, испускается еще одна нейтральная частица с массой покоя, равной нулю. Эту частицу назвали нейтрино (v). Нейтрино уносит с собой недостающую энергию, недостающий импульс и недостающий вращательный момент (спин нейтрино s = /j). Вследствие малого эффективного сечения захвата нейтрино нуклонами (о 10 см — [c.339]
Как известно, ядра атомов состоят из протонов и нейтронов например, ядро атома тяжелого водорода состоит из одного протона и одного нейтрона, ядро атома гелия — из двух протонов и двух нейтронов, и т. д. Для того чтобы раздробить ядро атома на составные части, нужно затратить некоторую работу. Наоборот, при соединении протонов и нейтронов в ядро они такую же работу могут совершить. Это значит, что сумма энергий, которыми обладают протон и нейтрон до того, как они образовали ядро атома тяжелого водорода, на некоторую величину АЕ больше, чем энергия этого ядра. Соответственно масса покоя ядра атома тяжелого водорода должна быть на Е/с меньше суммы масс покоя протона и нейтрона. [c.140]
Из совокупности самых разных опытных данных следует, что внутренние четности протона, нейтрона и электрона можно положить равными единице. Тогда из правил а), б) следует важное для теории атомов и ядер соотношение четность системы п нуклонов (или электронов) с орбитальными моментами 1 ,. .., 1 равна (—l) i+ 2+Только что изложенные правила определения четностей различных состояний неприменимы для фотонов (и вообще для частиц с нулевой массой покоя и ненулевым спином). Правила отбора по четности для электромагнитного излучения будут изложены в гл. VI, 6.
[c.75]
Подобно заряженным частицам (и в отличие от нейтронов), пучок Y-квантов поглощается веществом в основном за счет электромагнитных взаимодействий. Однако механизм этого поглощения существенно иной. На это есть две причины. Во-первых, у-кванты не имеют электрического заряда и тем самым не подвержены влиянию дальнодействующих кулоновских сил. Как мы установили в гл. Vn, 6, взаимодействие улучей с электронами происходит в областях с радиусом порядка 10″ см, что на три порядка меньше межатомных расстояний. Поэтому у-кванты при прохождении через вещество сравнительно редко сталкиваются с электронами и ядрами, но зато при столкновении, как правило, резко отклоняются от своего пути, т. е. практически выбывают из пучка. Вторая отличительная особенность 7-квантов состоит в том, что они обладают нулевой массой покоя и, следовательно, не могут иметь скорости, отличной от скорости света (см. гл. I, 2). А это значит, что 7-кванты в среде не могут замедляться. Они либо поглощаются, либо рассеиваются, причем в основном на большие углы. [c.447]
С другой стороны, нейтрон по своим физическим свойствам сильно отличается от Y-кванта. Поэтому нейтронная оптика имеет ряд совершенно своеобразных черт. Отличие нейтронной оптики от обычной обусловлено следующими основными причинами. Во-первых, электромагнитное излучение взаимодействует с электронами атомных оболочек, а нейтроны в основном взаимодействуют с ядрами (важное исключение будет рассмотрено в п. 7), Возникающие в связи с этим особенности будут рассмотрены в пп. 3, 4. Во-вторых, нейтрон имеет большую массу покоя, в то время как масса покоя фотона равна нулю. На волновом языке это означает, что у нейтронов связь частоты с длиной волны и скорость распространения волн совершенно иные, чем у электромагнитного излучения. Именно, для нейтронов [c.550]
Ядро с избыточным содержанием нейтронов достигает устойчивого состояния вследствие излучения лишних нейтронов или при превращении некоторых из них в протоны. Последний процесс и является причиной бета-распада, уже упоминавшегося ранее в связи с описанием естественной радиоактивности. Хотя бета-частицы (электроны) не могут существовать внутри ядра среди положительно заряженных протонов, нейтрон может излучить электрон и при этом превратиться в протон затем электрон немедленно покидает ядро в виде бета-частицы, а протон остается в ядре. Кроме того, наряду с электроном из нейтрона (а затем и из ядра) вылетает также и другая частица, называемая нейтрино . Поскольку она не имеет ни массы покоя, ни электрического заряда, ее очень трудно обнаружить при помощи обычных приборов, но существование нейтрино в природе полностью сейчас подтверждено благодаря его ядер-ным и магнитным взаимодействиям. [c.54]
Дальнейшим плодотворным применением идей КТП явилась работа X. Юкавы (1935), к-рый, развивая идеи И. Е, Тамма и Д. Д. Иваненко, предположил существование взаимодействия между полем нуклонов (протонов и нейтронов) и полем новых частиц — мезонов. Ядерные силы между нуклонами, согласно этой гипотезе, возникают в результате обмена нуклонов мезонами, а короткодействующий характер ядерных сил объясняется наличием у мезонов сравнительно большой массы покоя. Мезоны с предсказанными свойствами (пионы) были обнаружены в 1947, а взаимодействие их с нуклонами оказалось частным проявлением т.н. сильных взаимодействий. [c.317]
В свободном состоянии нейтрон радиоактивен. Ниже приведены основные характеоистики нейтрона масса покоя /п = 1,674 9286(10) 10- кг [171 энергетический эквивалент массы покоя нейтрона [c.1100]
В этой формуле Онеког — сечение некогерентного рассеяния — равно разности общего полного сечения и сечения когерентного рассеяния нейтронов (с пеког = ст —0,юг), Л4а —масса атома (атомного ядра), М —масса покоя нейтрона, 0 — характеристическая температура, —энергия нейтрона. [c.838]
Двогадро постоянная Атомная единица массы Гравитационная постоянная Заряд электрона Классический радиус электрона Магнитная постоянная Масса покоя электрона Масса покоя протона Масса покоя нейтрона Нормальное атмосферное давление Нормальное ускорение свободного падения Объем моля идеального газа при нормальных условиях
[c.197]
Авогадро Na и Больцмана к), элементарному электрическому заряду е, скорости света с, постоянной Планка h, константам физики элементарных частиц (массы покоя электрона т протона nif, и нейтрона т , константы сильного и слабого аяг взаимодействий). Понимание физического содержания и роли отдельных постоянных, входящих в качестве характеристических параметров в структуры различных физических теорий, невозможно без краткого изложения существа данной теории. Например, исторически первая константа физики—постоянная тяготения G— вводит нас в круг проблем теории гравитащш, крупнейшей и до сих пор еще не решенной проблемы современной физики. Изучение различных граней такой важнейшей физической постоянной, как скорость света с, нельзя представить без изложения основных идей специальной и общей теорий относительности А. Эйнштейна. Постоянная Планка А открывает нуть к познанию физики микромира. Физика элементарных частиц требует обсуждения современных теорий объединения различных взаимодействий. При этом на авансцену выходят связанные с классическими размерными физическими постоянными новые фундаментальные безразмерные величины— константы сильного а электромагнитного а слабого а г и гравитационного взаимодействий, размерность физического пространства N. Решение проблемы фундаментальных постоянных в целом требует анализа последних достижений физики элементарных частиц и космологии, синтеза успехов этих наук. Изучение физических постоянных с необходимостью превращается в связанный единым сюжетом рассказ о путях развития и проблемах физики. Сюжет весьма волнующ— возникновение и эволюция Вселенной, происхождение жизни и разума. Мировоззренческий аспект подобного рассмотрения проблемы постоянных очевиден. [c.7]
Анализ проблемы уместно начать с хронологии. Сегодня трудно представить, что когда-либо науке не было известно вообще ни одной физической постоянной. Тем не менее исторические факты убеждают нас в этом. Первая постоянная G (гравитационная) была введена в физику И. Ньютоном в 1687 г., а ее числовое значение было впервые измерено Г. Кавендишем только в 1793 г. Столь хорошо известные сегодня величины элементарного электрического заряда е и массы покоя электрона вошли в науку сравнительно недавно, после открытия в 1897 г. Дж. Томсоном первой элементарной частицы — электрона. Только в 1932 г. был открыт нейтрон и таблица фундаментальных постоянных пополнилась значением массы нейтрона т . Отношение [c.21]
Для обычных частиц, например для нейтронов, разложение по парциальным сечениям есть не что иное, как разложение по состояниям с различными значениями орбитального момента /. Поэтому если длина волны нейтрона значительно больше области, в которой действуют ядерные силы (за счет короткодействия ядер-ных сил размеры этой области почти совпадают с размерами ядра), то рассеяние в основном идет в s-состоянии (/ = 0), а вероятность рассеяния в состояниях с большими I резко падает с ростом I. Для фотона, в отличие от других частиц, понятия орбитального момента не существует. Мы не будем объяснять этого тонкого обстоятельства, а лишь укажем, что оно обусловлено совместным действием двух причин равенством нулю массы покоя фотона и ненулевым значением его спина, который равен единице. [c.162]
После открытия строения атома и других физических явлений энергетизм было быстро пошел на убыль, но с установлением Эйнштейном связи между энергией и массой Е — тс поднялась новая его волна — неоэнергетизм во главе с другим Нобелевским лауреатом Вернером Гейзенбергом. Из основных форм энергии, — заявил он, — три формы отличаются особенной устойчивость[о электрон, протон и нейтрон. Материя… состоит из этих форм энергии, к чему всегда следует добавлять энергию двин ення . На самом деле ничего не изменилось в материальном мире с выводом этой зависимости — как и раньше одни виды материи и формы движения превращаются в другие, но помимо массы покоя то появилось представление о динамической массе mg и переходе их друг в друга, ибо m=mo-fmg. Так, при слиянии вещественных частиц электрона и позитрона общей массой 2шо образуются частицы электромагнитного поля — фотоАЫ общей массой Emg, но Lmo— Zirig. [c.130]
Эксперим. проверка 3. с. 3. основывается на проверке стабильности электрона и нулевой массы покоя фотона. Анализ возможных явлений атм. электричества, к-рые могли бы возникнуть в результате распадов электронов в атмосфере, даёт для нижней границы вре.мени жизни электрона > лет. Существование крупномасштабного магн. поля в дисковой составляющей Галактики приводит к самому сильному ограничению сверху на допустимую величину массы фотона 10эВ. Это ограничение делает весьма проблематичным построение физ. теории, допускающей нарушение закона сохранения электрич. заряда. Подтверждением 3. с. 3. служит также строгое равенство (по абс. величине) электрич. зарядов электрона и протона. Изучение движения атомов (молекул) и микроскопич. тел в электрич. полях подтверждает электронеитраль-ность вещества и, соответственно, равенство зарядов электрона и протона (и электронейтральность нейтрона) с точностью 10 2 . [c.53]
М.-с. возникла в первые десятилетия 20 в. [Дж. Дж. Томсон (J. J. Thomson), 1912 Ф. У. Астон (F. W. Aston), 1919] и являлась одним из ося. методов определения масс ядер (Астоном было открыто 212 стабильных нуклидов). В дальнейшем центр исследований сместился в область анализа сложных органич. веществ. Однако с появлением масс-спектрометров ионно-циклотронного резонанса появилась возможность устанавливать массу иона с точностью лучше, чем 10″ а. е. м., что индуцировало интерес к прецизионным измерениям масс ядер. Напр., удалось нзлшрить разность масс в дублете Не — Т+ с точностью до неск. эВ, позволяющей судить о наличии массы покоя у антинейтрино (см. Нейтрино, Бета-распад нейтрона). Дальнейшее повышение точности открывает перспективу определять энергии хим. связей (сопоставляя массы молекулы и составляющих её атомов). [c.57]
Протон
У
этого термина существуют и другие значения, см. Протон
(значения).
Протон
| |
Символ
|
|
Масса
|
938,272
|
Античастица
|
Антипротон
|
Классы
|
фермион,
|
Квантовые числа
| |
Электрический
|
+1
|
Спин
|
1/2
|
Изотопический
|
1/2
|
Барионное
|
1
|
Странность
|
0
|
Очарование
|
0
|
Другие свойства
| |
Время
|
>2,9×1029
|
Схема
|
нет
|
Кварковый
|
uud
|
Прото́н (от др.-гр.
πρῶτος
— первый, основной) — элементарная частица, имеющая положительный электрический
заряд и входящая в состав ядра каждого атома. Общим названием для протонов и нейтронов
является нуклон.
Свободный протон, не связанный с нуклонами, электронами и другими
частицами, является стабильным и не испытывает распада. Протон быстро
связывается с электронами, поэтому свободные протоны наблюдаются лишь при
достаточно больших энергиях или температуре среды, в состоянии плазмы. При
движении быстрых протонов в веществе они тормозятся за счёт столкновений с
ядрами и электронными облаками, производя ионизацию атомов, а затем вступают в
химическую реакцию или захватывают электрон, превращаясь в атомы водорода.
Протоны составляют более 90 % частиц, входящих в состав космических
лучей. В составе водорода протоны составляют основу молекулярных облаков,
распространённых в межзвёздном пространстве. В земных условиях атомы водорода
соединяются в молекулы, образуя газ, который используется в промышленности для
различных целей. Ускоренные протоны являются важным источником частиц в
ускорителях.
Распады нейтронов приводят к образованию протонов, электронов и
антинейтрино. Кроме этого, протоны могут излучаться некоторыми атомными ядрами
при их радиоактивном распаде.
Протоны принимают участие в термоядерных реакциях, которые являются основным
источником энергии, генерируемой звёздами. В частности, реакции pp-цикла,
который является источником почти всей энергии, излучаемой Солнцем, сводятся к
соединению четырёх протонов в ядро гелия-4 с превращением двух протонов в
нейтроны.
- 1 Физические
свойства
- 1.1 Структура
- 1.2 Масса
- 1.3 Радиус
- 1.4 Стабильность
- 2 Химические
свойства
- 2.1 Зарядовое
число - 2.2 Ион
водорода - 2.3 Протонный
магнитный резонанс
- 3 История
- 4 Действие
протонного излучения - 5 Антипротон
- 6 Субстанциональная
модель - 7 Интересные
факты - 8 Литература
- 9 Примечания
- 10 См.
также - 11 Внешние
ссылки
Физические
свойства
Протон относится к барионам, имеет спин 1/2, электрический
заряд +1 в единицах элементарного
заряда, что равно 1,602176565(35) × 10−19 К.
Электрический дипольный момент не превышает значения 5,4 × 10−24
К•см. Электрическая поляризуемость
протона равна 1,20(6) × 10−48 м3 ,[1] а магнитная поляризуемость равна
1,9(5) × 10−49 м3.
Магнитный момент протона равен 1,410606743(33) × 10−26
Дж•Т−1, что в 2,792847356(23) раз больше
амплитуды магнитного момента нейтрона. Отношение магнитного момента протона к магнетону
Бора равно 1,521032210(12) × 10−3.
В физике элементарных частиц протон рассматривается как нуклон с проекцией изоспина
+1/2 (в ядерной физике принят противоположный знак проекции изоспина). Протон
участвует в четырёх фундаментальных взаимодействиях, среди которых гравитация, электромагнитное
взаимодействие, сильное взаимодействие,
слабое взаимодействие.
Структура
Согласно квантовой хромодинамике, протон является
фермионом со спином ½ и состоит из трёх кварков
(один d-кварк и два u-кварка). Предполагается, что кварки связаны
друг с другом посредством сильного взаимодействия, переносчиком которого
являются глюоны. В теории также допускается наличие внутри протона виртуальных
(морских) кварков. Сильное взаимодействие кварков за пределами протонов и
нейтронов превращается в ядерные силы, скрепляющие нуклоны в атомных ядрах.
Масса
Масса протона, выраженная в разных единицах, составляет:
- 1,672 621 777(74) × 10−27 кг, [2]
- 938,272 046(21) МэВ/c2, [2]
- 1,007276466812|(90) а. е. м., [2]
- 1836,152 672 45(75) массы электрона. [2]
(рекомендованные значения CODATA 2010 года, в скобках указана погрешность
величины в единицах последней значимой цифры, одно стандартное отклонение).
В стандартной модели масса трёх токовых кварков, образующих протон,
составляет около 1 % массы протона. Считается, что остальная масса протона
возникает за счёт кинетической энергии движения этих кварков и массы-энергии
глюонного поля.[3]
В квантовой хромодинамике масса
протона вычисляется наиболее точно с помощь методики, называемой КХД на решётке
или решёточной КХД. [4]
Радиус
В первом приближении распределение заряда внутри протона может быть описано
экспоненциальной функцией. [5]
Зарядовый радиус протона по данным CODATA составляет
0,8775(51) фм. [2]
К известным способам оценки радиуса протона относятся эксперименты по рассеянию
электронов, фотонов и нуклонов на протонной мишени, [6]
и эксперименты с системой из протона и отрицательного мюона. [7] В зависимости от типа эксперимента и способа
обработки результатов, получаются несколько отличающиеся величины радиуса,
требующие дополнительного объяснения.
Стабильность
Основная статья: Распад протона
Протон считается стабильной частицей, так как распад свободного протона
никогда не наблюдался. Некоторые Теории Великого объединения в физике
элементарных частиц предсказывают распад протона с
временем его жизни порядка 1036 лет. С целью определения времени
жизни протона проводились различные эксперименты в отношении возможных его
распадов на разные частицы.
Нижнее ограничение на время жизни протона — 2,1×1029 лет
независимо от канала распада, было получено в нейтринной лаборатории в Канаде (Sudbury Neutrino Observatory). [8] В эксперименте
изучалось гамма-излучение, которое могло появиться при распаде протона в
составе ядра кислорода-16.
Время жизни 6,6×1033 лет для распада протона на антимюон и нейтральный пион, и 8,2×1033 лет для
распада в позитрон и нейтральный пион дали эксперименты на детекторе в Super-Kamiokande, Япония. [9]
Несмотря на свою стабильность, протон может превратиться в нейтрон в таком
процессе, как электронный захват (или обратный бета-распад). Уравнение реакции
подразумевает излучение электронного нейтрино:
В обратной реакции бета-распада свободный нейтрон самопроизвольно, с
периодом порядка 15 минут, распадается на протон, электрон и электронное
антинейтрино.
Химические
свойства
Зарядовое
число
Протоны (вместе с нейтронами) являются основными составляющими атомных ядер.
Порядковый номер химического элемента в периодической таблице определяется зарядом
ядра его атомов, который, в свою очередь, равен количеству протонов в ядре
(протонному числу). В нейтральном атоме количество отрицательно заряженных
электронов в электронной оболочке атома и количество положительно заряженных
протонов в ядре атома одинаково и суммарный заряд атома равен нулю. Химические
свойства атомов зависят от количества имеющихся у них электронов, поэтому можно
считать, что зарядовое число характеризует и химические свойства.
Кроме зарядового числа, у атомов в ядре имеется некоторое число нейтронов. В
зависимости от числа нейтронов, ядра с одним и тем же зарядовым числом
принадлежат тому или иному изотопу химического элемента.
Ион
водорода
Ядро атома водорода состоит из одного протона. Протон в химическом смысле
является ядром атома водорода (точнее, его лёгкого изотопа — протия) без электрона.
В физике протон обозначается буквой p (или p+). Химическое обозначение протона
(рассматриваемого в качестве положительного иона водорода) — H+, астрофизическое
— HII.
Свободный протон является химически активным реагентом и потому имеет малое
время жизни в химических системах, где быстро захватывает электронное облако у
какой-нибудь молекулы. В водных растворах водород образует гидроксоний,
H3O+, который затем может войти в более сложные катионы с
молекулами воды, например в [H5O2]+ и [H9O4]+.[10]
В протонной теории Брёнстеда — Лоури
кислоты являются донорами протонов, а основания – акцепторами протонов. В
химической реакции, сопровождающейся переносом протона, всегда имеется и кислота
и основание. В биохимии используется термин протонный насос, обычно для
обозначения мембранного белкового аппарата, служащего для переноса гидроксония через мембраны клеток и митохондрий.
Ионы тяжёлого водорода, дейтерия и трития, лишённые электронов, называются дейтрон
и тритон, соответственно.
Протонный
магнитный резонанс
В химии связанные в молекулах протоны могут быть обнаружены и исследованы с
помощью протонного магнитного резонанса. В этом методе используется эффект
переворота спина
протонов под действием радиоизлучения соответствующей частоты.
История
В 1815 году Уильям Праут предположил, что все
атомы состоят из атомов водорода, основываясь на том, что относительная атомная
масса химических элементов приблизительно пропорциональна целым числам. Более
точные измерения показали, что гипотеза Праута
неверна. В 1886 году Eugen Goldstein
открыл анодные (каналовые) лучи и показал, что они
являются потоком положительно заряженных ионов, образующихся в газе. Отношение
массы к заряду ионов у разных газов оказалось различным, достигая минимума у
водородных ионов. В 1896 в катодных лучах был открыт отрицательно заряженный электрон.
После открытия Резерфордом атомных ядер в 1911 году, Антониус
ван ден Брук
предположил, что атомный номер химического элемента, задающий положение
элемента в периодической таблице, равен заряду ядра. Генри Мозли
подтвердил это экспериментально в 1913 году с помощью рентгеноспектрального
анализа.
Открытие протона относится к 1917 году, когда Резерфорд своими
экспериментами доказал, что ядро водорода присутствует также в других атомах. [11] До этого Резерфорд обнаружил ядра водорода с
помощью сцинтилляционных счётчиков в водородном газе, после облучения газа
альфа-частицами. Облучение альфа-частицами воздуха и азота также производило
ядра водорода. При столкновении альфа-частицы с ядром азота возникает
кислород-17 и вылетает протон, ядерная реакция записывается следующим образом: 14N
+ α → 17O + p.
Открытия Резерфорда показали, что не весь атом водорода, как это предполагал
Праут, а только ядро водорода, является наименьшей и
универсальной частицей, входящей в состав каждого ядра. Резерфорд
выбрал для наименования ядра водорода два названия – протон, основываясь
на греческом слове πρῶτον,
то есть первый, и prouton, в честь Праута. [12] В 1920 году
Британская ассоциация развития науки остановила свой выбор на слове протон,
учитывая также название protyle, которое дал Праут водородному атому как универсальному объекту для всех
атомов в своей гипотезе.
Действие
протонного излучения
Комплект научных инструментов для исследования лунной поверхности по
программе «Аполлон» ALSEP определил, что более 95 % частиц в солнечном
ветре представляют собой поровну протоны и электроны. [13][14]
Поскольку спектрометр солнечного ветра делает непрерывные измерения, стало
возможным измерить, как магнитное поле Земли действует на прилетающие частицы
солнечного ветра. Приблизительно две трети своей орбиты Луна проходит за
пределами основного магнитного поля Земли. При этом концентрация протонов
колеблется от 10 до 20 штук в кубическом сантиметре, а скорости протонов лежат
в интервале 400 – 600 км/с. В
течение 5 дней Луна находится в геомагнитном поясе нашей планеты, где обычно
частицы солнечного ветра отсутствуют. В остальное время Луна находится в
промежуточном поясе, в магнитной оболочке, где магнитное поле Земли заметно
действует на солнечный ветер. Здесь скорости протонов уменьшаются до 250 – 450
км/с, поток протонов снижается. Когда на Луне ночь, спектрометр закрывается от
солнечного ветра Луной и протоны не регистрируются. [13]
Основными источниками солнечных протонов являются корональные
выбросы массы. Протоны возникают также в других звёздах и видны в составе
галактических космических лучей, где их доля достигает 90 %. Эти протоны
могут иметь очень большие энергии по сравнению с солнечными протонами, а их
поток заметно более однородный и изотропный.
В потоках протонов космические корабли приобретают положительный заряд.[15]
Протоны могут оказывать негативное действие на здоровье людей, особенно в
космосе. [14][16]
Проводимые исследования нацелены на определение того, какие хромосомы могут
повреждаться потоками протонов, приводя к раковым заболеваниям. [14] Изучаются также нейрохимические и
поведенческие нарушения, включая функции гормона дофамина, действие амфетамина, память и пространственную ориентацию. [16] Разрабатываются методы защиты от
солнечных вспышек и галактических космических лучей. В космическом полёте Спейс Шаттла «Колумбия» по
программе STS-65 и в аналогичных советских программах проводились различные
медико-биологические исследования, включая влияние излучения протонов и тяжёлых
ионов на микроорганизмы. [17]
Антипротон
Основная статья: Антипротон
CPT-инвариантность связывает между собой частицы и античастицы, так что
свойства антипротона могут быть определены через свойства протона. Сумма
зарядов протона и антипротона должна равняться нулю, что было проверено с
точностью 1 к 108, и с такой же точностью получено равенство их
масс. Ловушка Пеннинга позволяет улучшить результат
для отношения масс до точности 1 к 6 •109. [18]
Магнитный момент антипротона равен магнитному моменту протона с точностью 8
•10–3 ядерного магнетона, и противоположен по направлению.
Субстанциональная
модель
В теории бесконечной вложенности
материи предполагается, что на уровне атомов и частиц действует сильная гравитация, удерживающая
вещество элементарных частиц от распада, соединяющая нуклоны в ядрах и участвующая
в образовании связей электронов с ядрами атомов. Рассматривается также модель кварковых
квазичастиц, согласно которой кварки являются не настоящими частицами, а
квазичастицами, пригодными лишь для описания свойств симметрии элементарных
частиц. Отсюда следуют гравитационная
модель сильного взаимодействия и субстанциональная
модель протона. При известной величине постоянной сильной гравитации становится
возможным вычислить радиус протона м. [19] и объяснить квантовый спин протона на основе
равенства полного потока энергии гравитационного поля и потока кинетической
энергии вращающегося вещества протона. [20]
Интересные
факты
- Отношение масс протона и электрона, равное 1836,152 672
45(75) [2], с точностью до 0,002%
равно значению - Ультрарелятивистские
протоны (как и любые другие адроны, а также атомные ядра) для неподвижного
наблюдателя имеют форму двояковогнутой линзы [21].
Литература
- Все известные свойства протона систематически изложены
в публикации Particle Data
Group. [2](англ.)
Примечания
- Yao W.-M. et al.,
(Particle Data Group), Physics Letters, Vol. B667, P. 1 (2008) and 2009
partial update for the 2010 edition. [1] - а б в г д е
P.J. Mohr, B.N. Taylor, and
D.B. Newell (2011), «The 2010 CODATA Recommended Values of the
Fundamental Physical Constants» (Web Version 6.0). This database was
developed by J. Baker, M. Douma, and S. Kotochigova. Available: http://physics.nist.gov/constants [Thursday, 02-Jun-2011 21:00:12 EDT]. National
Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD 20899. - Quarks and Nuclei. — World Scientific, 1984. — С. 65–66. — ISBN 9971-966-61-1>
- S. Dürr, Z. Fodor, J. Frison, C. Hoelbling, R. Hoffmann, S. D. Katz, S. Krieg, T. Kurth, L. Lellouch, T. Lippert, K. K. Szabo, and G.
Vulvert (21 November 2008). «Ab Initio Determination of Light Hadron
Masses - Fundamentals in Nuclear Physics. — Springer, 2005. — ISBN
0-387-01672-4> - Ingo Sick. On the rms-radius
of the proton. Phys.Lett.B576:62-67,2003. - Randolf Pohl at all. The size of the proton. Nature, 2010, Vol. 466, P. 213–216.
- S.N. Ahmed et
al. (SNO
Collaboration) (2004). «Constraints on nucleon decay via invisible modes from
the Sudbury Neutrino Observatory». Physical Review Letters 92 (10). DOI:10.1103/PhysRevLett.92.102004. PMID 15089201. - H. Nishino et al (Kamiokande
collaboration) (2009). Search for Proton Decay via p → e + π0 and p → μ + π0 in a Large Water Cherenkov Detector. Physical Review Letters 102 (14): 141801. doi: 10.1103/PhysRevLett.102.141801. - Headrick, J.M.; Diken, E.G.;
Walters, R. S.; Hammer, N. I.; Christie, R.A. ; Cui, J.; Myshakin, E.M.; Duncan, M.A.; Johnson, M.A.; Jordan,
K.D. (2005). «Spectral Signatures of Hydrated Proton Vibrations in
Water Clusters». Science 308 (5729): 1765–69. DOI:10.1126/science.1113094.
PMID
15961665. - R.H. Petrucci, W.S.
Harwood, and F.G. Herring. General Chemistry. 8th edition. page 41. (2002). - Romer A (1997). «Proton or prouton?
Rutherford and the depths of the atom». Amer. J. Phys. 65 (8). DOI:10.1119/1.18640. - а б
«Apollo 11 Mission». Lunar and Planetary Institute. 2009.
Retrieved 2009-06-12. - а б в
«Space Travel and Cancer
Linked? Stony Brook Researcher Secures NASA Grant to Study Effects of
Space Radiation». Brookhaven National Laboratory. 12 December 2007.
Retrieved 2009-06-12. - N.W. Green and A.R. Frederickson. «A Study of Spacecraft
Charging due to Exposure to Interplanetary Protons». Jet Propulsion Laboratory.
Retrieved 2009-06-12. - а б
B. Shukitt-Hale,
A. Szprengiel, J. Pluhar,
B.M. Rabin, and J.A. Joseph. «The effects of proton
exposure on neurochemistry and behavior». Elsevier/COSPAR. Retrieved
2009-06-12. - Space and life: an introduction
to space biology and medicine. — CRC Press, 2004. — С. 135–138. — ISBN 0-415-31759-2> - G. Gabrielse (2006).
«Antiproton mass measurements». International Journal of Mass Spectrometry 251 (2–3): 273–280. DOI:10.1016/j.ijms.2006.02.013. - Fedosin S.G. The radius of the proton in the self-consistent model. Hadronic
Journal,
2012, Vol. 35, No. 4, P. 349 – 363; статья на русском
языке: Радиус протона в самосогласованной
модели. - Комментарии к книге: Федосин
С.Г. Физические теории и бесконечная вложенность материи. Пермь, 2009, 844
стр., Табл. 21, Ил.41, Библ. 289 назв. ISBN 978-5-9901951-1-0. - ↑ Иванов И. «Какую
форму имеет быстро летящий протон?» = B. Blok, L. Frankfurt, M. Strikman. On
the shape of a rapid hadron in QCD.
«. Science 322
(5905): 1224–7. DOI:10.1126/science.1163233. PMID 19023076.
См. также
Внешние
ссылки
Структура атома
Обзор атомной структуры
Атомы состоят из частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами, которые отвечают за массу и заряд атомов.
Цели обучения
Обсудить электронные и структурные свойства атома
Основные выводы
Ключевые моменты
- Атом состоит из двух областей: ядра, которое находится в центре атома и содержит протоны и нейтроны, и внешней области атома, которая удерживает свои электроны на орбите вокруг ядра.
- Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, около 1,67 × 10-24 грамма, которую ученые определяют как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один Дальтон.
- Каждый электрон имеет отрицательный заряд (-1), равный положительному заряду протона (+1).
- Нейтроны — это незаряженные частицы, находящиеся в ядре.
Ключевые термины
- атом : наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, состоящее из ядра, окруженного электронами.
- протон : положительно заряженная субатомная частица, составляющая часть ядра атома и определяющая атомный номер элемента. Он весит 1 а.е.м.
- нейтрон : субатомная частица, составляющая часть ядра атома. Это бесплатно. По массе он равен протону или весит 1 а.е.м.
Атом — это наименьшая единица вещества, которая сохраняет все химические свойства элемента. Атомы объединяются в молекулы, которые затем взаимодействуют с образованием твердых тел, газов или жидкостей.Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, которые объединились в молекулы воды. Многие биологические процессы посвящены расщеплению молекул на составляющие их атомы, чтобы из них можно было собрать более полезную молекулу.
Атомные частицы
Атомы состоят из трех основных частиц: протонов, электронов и нейтронов. Ядро (центр) атома содержит протоны (положительно заряженные) и нейтроны (без заряда). Внешние области атома называются электронными оболочками и содержат электроны (отрицательно заряженные).Атомы имеют разные свойства в зависимости от расположения и количества их основных частиц.
Атом водорода (H) содержит только один протон, один электрон и не содержит нейтронов. Это можно определить, используя атомный номер и массовое число элемента (см. Понятие атомных номеров и массовых чисел).
Структура атома : Изображенные здесь элементы, такие как гелий, состоят из атомов. Атомы состоят из протонов и нейтронов, расположенных внутри ядра, а электроны находятся на орбиталях, окружающих ядро.
Атомная масса
Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, примерно 1,67 × 10 -24 граммов. Ученые определяют это количество массы как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один дальтон. Протоны схожи по массе, но заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда. Следовательно, количество нейтронов в атоме существенно влияет на его массу, но не на его заряд.
Электроны намного меньше по массе, чем протоны, их вес составляет всего 9 единиц.11 × 10 -28 граммов, или примерно 1/1800 атомной единицы массы. Следовательно, они не вносят большой вклад в общую атомную массу элемента. При рассмотрении атомной массы принято игнорировать массу любых электронов и вычислять массу атома, исходя только из числа протонов и нейтронов.
Электроны вносят большой вклад в заряд атома, поскольку каждый электрон имеет отрицательный заряд, равный положительному заряду протона. Ученые определяют эти обвинения как «+1» и «-1».В незаряженном нейтральном атоме количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри ядра. В этих атомах положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга, в результате чего получается атом без чистого заряда.
Протоны, нейтроны и электроны : Протоны и нейтроны имеют массу 1 а.е.м. и находятся в ядре. Однако протоны имеют заряд +1, а нейтроны не заряжены. Электроны имеют массу примерно 0 а.е.м., вращаются вокруг ядра и имеют заряд -1.
Изучение свойств электрона : Сравните поведение электронов с поведением других заряженных частиц, чтобы обнаружить такие свойства электронов, как заряд и масса.
Объем атомов
С учетом размеров протонов, нейтронов и электронов большая часть объема атома — более 99 процентов — фактически является пустым пространством. Несмотря на все это пустое пространство, твердые объекты не проходят сквозь друг друга. Электроны, окружающие все атомы, заряжены отрицательно и заставляют атомы отталкиваться друг от друга, не позволяя атомам занимать одно и то же пространство.Эти межмолекулярные силы не позволяют вам провалиться сквозь такой предмет, как стул.
Интерактивное: создайте атом : создайте атом из протонов, нейтронов и электронов и посмотрите, как изменяются элемент, заряд и масса. Тогда сыграйте в игру, чтобы проверить свои идеи!
Атомный номер и массовое число
Атомный номер — это количество протонов в элементе, а массовое число — это количество протонов плюс количество нейтронов.
Цели обучения
Определите соотношение между массовым числом атома, его атомным номером, его атомной массой и количеством субатомных частиц
Основные выводы
Ключевые моменты
- Нейтральные атомы каждого элемента содержат равное количество протонов и электронов.
- Число протонов определяет атомный номер элемента и используется, чтобы отличить один элемент от другого.
- Число нейтронов варьируется, в результате чего образуются изотопы, которые представляют собой разные формы одного и того же атома, которые различаются только количеством нейтронов, которыми они обладают.
- Вместе количество протонов и количество нейтронов определяют массовое число элемента.
- Поскольку изотопы элемента имеют несколько разные массовые числа, атомная масса рассчитывается путем получения среднего массового числа его изотопов.
Ключевые термины
- массовое число : сумма количества протонов и количества нейтронов в атоме.
- атомный номер : количество протонов в атоме.
- атомная масса : Средняя масса атома с учетом всех его естественных изотопов.
Атомный номер
Нейтральные атомы элемента содержат равное количество протонов и электронов. Число протонов определяет атомный номер элемента (Z) и отличает один элемент от другого. Например, атомный номер углерода (Z) равен 6, потому что у него 6 протонов. Количество нейтронов может изменяться для получения изотопов, которые представляют собой атомы одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов.Число электронов также может быть различным в атомах одного и того же элемента, в результате чего образуются ионы (заряженные атомы). Например, железо Fe может существовать в нейтральном состоянии или в ионных состояниях +2 и +3.
Массовое число
Массовое число элемента (A) — это сумма количества протонов и количества нейтронов. Небольшой вклад массы электронов не учитывается при вычислении массового числа. Это приближение массы можно использовать, чтобы легко вычислить, сколько нейтронов имеет элемент, просто вычтя количество протонов из массового числа.Протоны и нейтроны весят около одной атомной единицы массы или а.е.м. Изотопы одного и того же элемента будут иметь одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Атомный номер, химический символ и массовое число : углерод имеет атомный номер шесть и два стабильных изотопа с массовыми числами двенадцать и тринадцать соответственно. Его средняя атомная масса 12,11.
Ученые определяют атомную массу, вычисляя среднее значение массовых чисел естественных изотопов.Часто полученное число содержит десятичную дробь. Например, атомная масса хлора (Cl) составляет 35,45 а.е.м., потому что хлор состоит из нескольких изотопов, некоторые (большинство) с атомной массой 35 а.е.м. (17 протонов и 18 нейтронов), а некоторые с атомной массой 37 а.е.м. (17 протонов и 20 нейтронов).
Зная атомный номер (Z) и массовое число (A), вы можете найти количество протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Например, атом лития (Z = 3, A = 7 а.е.м.) содержит три протона (находится из Z), три электрона (поскольку количество протонов равно количеству электронов в атоме) и четыре нейтрона (7 — 3 = 4).
Изотопы
Изотопы — это различные формы элементов, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.
Цели обучения
Обсудить свойства изотопов и их использование в радиометрическом датировании
Основные выводы
Ключевые моменты
- Изотопы — это атомы одного и того же элемента, содержащие одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.
- Несмотря на разное количество нейтронов, изотопы одного и того же элемента имеют очень похожие физические свойства.
- Некоторые изотопы нестабильны и подвергаются радиоактивному распаду, чтобы превратиться в другие элементы.
- Предсказуемый период полураспада различных распадающихся изотопов позволяет ученым датировать материал на основе его изотопного состава, например, с помощью датировки углерода-14.
Ключевые термины
- изотоп : Любая из двух или более форм элемента, в которых атомы имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов в их ядрах.
- период полураспада : время, необходимое для того, чтобы половина исходной концентрации изотопа распалась обратно в более стабильную форму.
- радиоактивные изотопы : атом с нестабильным ядром, характеризующийся избыточной доступной энергией, который подвергается радиоактивному распаду и чаще всего создает гамма-лучи, альфа- или бета-частицы.
- радиоуглеродное датирование : Определение возраста объекта путем сравнения отношения обнаруженной в нем концентрации 14C к количеству 14C в атмосфере.
Что такое изотоп?
Изотопы — это различные формы элементов, которые имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов. Некоторые элементы, такие как углерод, калий и уран, содержат несколько изотопов природного происхождения. Изотопы определяются сначала их элементом, а затем суммой присутствующих протонов и нейтронов.
- Углерод-12 (или 12 C) содержит шесть протонов, шесть нейтронов и шесть электронов; следовательно, он имеет массовое число 12 а.е.м. (шесть протонов и шесть нейтронов).
- Углерод-14 (или 14 C) содержит шесть протонов, восемь нейтронов и шесть электронов; его атомная масса 14 а.е.м. (шесть протонов и восемь нейтронов).
Хотя масса отдельных изотопов различна, их физические и химические свойства в основном не меняются.
Изотопы действительно различаются по стабильности. Углерод-12 ( 12 C) — самый распространенный изотоп углерода, составляющий 98,89% углерода на Земле. Углерод-14 ( 14 C) нестабилен и встречается только в следовых количествах.Нестабильные изотопы чаще всего испускают альфа-частицы (He 2+ ) и электроны. Также могут испускаться нейтроны, протоны и позитроны, а электроны могут быть захвачены для достижения более стабильной атомной конфигурации (более низкого уровня потенциальной энергии) посредством процесса, называемого радиоактивным распадом. Созданные новые атомы могут находиться в состоянии высокой энергии и испускать гамма-лучи, которые понижают энергию, но сами по себе не превращают атом в другой изотоп. Эти атомы называются радиоактивными изотопами или радиоизотопами.
Радиоуглеродное датирование
Углерод обычно присутствует в атмосфере в виде газообразных соединений, таких как диоксид углерода и метан. Углерод-14 ( 14 C) — это встречающийся в природе радиоактивный изотоп, который создается из атмосферного 14 N (азота) путем добавления нейтрона и потери протона, вызванной космическими лучами. Это непрерывный процесс, поэтому в атмосфере всегда образуется больше 14 C. После производства 14 C часто соединяется с кислородом атмосферы с образованием диоксида углерода.Образовавшийся таким образом углекислый газ диффундирует в атмосфере, растворяется в океане и попадает в организм растений посредством фотосинтеза. Животные поедают растения, и в конечном итоге радиоуглерод распространяется по биосфере.
В живых организмах относительное количество 14 C в их теле примерно равно концентрации 14 C в атмосфере. Когда организм умирает, он больше не поглощает 14 C, поэтому соотношение между 14 C и 12 C будет снижаться, поскольку 14 C постепенно уменьшается до 14 N.Этот медленный процесс, который называется бета-распадом, высвобождает энергию за счет испускания электронов из ядра или позитронов.
Примерно через 5730 лет половина исходной концентрации 14 C будет преобразована обратно в 14 N. Это называется периодом полураспада или временем, которое требуется для получения половины исходной концентрации вещества. изотоп, чтобы вернуться в более стабильную форму. Поскольку период полураспада 14 C большой, его используют для датирования ранее существовавших объектов, таких как старые кости или дерево.Сравнивая отношение концентрации 14 C, обнаруженной в объекте, к количеству 14 C в атмосфере, можно определить количество изотопа, который еще не распался. На основе этого количества можно точно рассчитать возраст материала, если предполагается, что возраст материала составляет менее 50 000 лет. Этот метод называется радиоуглеродным датированием, или сокращенно углеродным датированием.
Применение углеродного датирования : Возраст углеродсодержащих останков менее 50 000 лет, таких как этот карликовый мамонт, можно определить с помощью углеродного датирования.
Другие элементы имеют изотопы с разным периодом полураспада. Например, 40 K (калий-40) имеет период полураспада 1,25 миллиарда лет, а 235 U (уран-235) имеет период полураспада около 700 миллионов лет. Ученые часто используют эти другие радиоактивные элементы для датирования объектов, возраст которых превышает 50 000 лет (предел углеродного датирования). Используя радиометрическое датирование, ученые могут изучать возраст окаменелостей или других останков вымерших организмов.
4.4. Свойства протонов, нейтронов и электронов
Цели обучения
- Опишите расположение, заряды и массы трех основных субатомных частиц.
- Определите количество протонов и электронов в атоме.
- Определите атомную единицу массы (а.е.м.).
Атомная теория Дальтона многое объясняет о материи, химических веществах и химических реакциях. Тем не менее, это было не совсем точно, потому что вопреки тому, что полагал Дальтон, атомы на самом деле могут быть разбиты на более мелкие субъединицы или субатомные частицы.Мы очень подробно говорили об электроне, но нас интересуют еще две частицы: протоны и нейтроны. Мы уже узнали, что Дж. Дж. Томсон открыл отрицательно заряженную частицу, названную электроном . Резерфорд предположил, что эти электроны вращаются вокруг положительного ядра. В последующих экспериментах он обнаружил, что в ядре есть положительно заряженная частица меньшего размера, называемая протоном . Существует также третья субатомная частица, известная как нейтрон.
Электронов
Электроны — это один из трех основных типов частиц, из которых состоят атомы. В отличие от протонов и нейтронов, которые состоят из более мелких и простых частиц, электроны являются элементарными частицами, которые не состоят из более мелких частиц. Они представляют собой тип элементарных частиц, называемых лептонами. Все лептоны имеют электрический заряд \ (- 1 \) или \ (0 \). Электроны очень маленькие. Масса электрона составляет всего около 1/2000 массы протона или нейтрона, поэтому электроны практически ничего не вносят в общую массу атома.Электроны имеют электрический заряд \ (- 1 \), который равен, но противоположен заряду протона, который равен \ (+ 1 \). Все атомы имеют такое же количество электронов, что и протоны, поэтому положительный и отрицательный заряды «уравновешиваются», делая атомы электрически нейтральными.
В отличие от протонов и нейтронов, которые находятся внутри ядра в центре атома, электроны находятся вне ядра. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.Эта сила притяжения заставляет электроны постоянно двигаться через пустое пространство вокруг ядра. На приведенном ниже рисунке показан общий способ представления структуры атома. Он показывает электрон как частицу, вращающуюся вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако это неверная точка зрения, поскольку квантовая механика показывает, что электроны более сложны.
Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Электроны намного меньше протонов или нейтронов. Если бы электрон был массой пенни, протон или нейтрон имели бы массу большого шара для боулинга!
Протоны
Протон — одна из трех основных частиц, составляющих атом.{-15} \) метров.
Как вы уже могли догадаться по названию, нейтрон нейтрон. Другими словами, он совершенно не заряжен и поэтому не привлекается и не отталкивается от других объектов. Нейтроны есть в каждом атоме (за одним исключением), и они связаны вместе с другими нейтронами и протонами в атомном ядре.
Прежде чем мы продолжим, мы должны обсудить, как различные типы субатомных частиц взаимодействуют друг с другом. Что касается нейтронов, ответ очевиден.Поскольку нейтроны не притягиваются к объектам и не отталкиваются от них, они на самом деле не взаимодействуют с протонами или электронами (кроме связывания в ядре с протонами).
Хотя электроны, протоны и нейтроны — все типы субатомных частиц, они не все одинакового размера. Когда вы сравниваете массы электронов, протонов и нейтронов, вы обнаруживаете, что электроны имеют чрезвычайно малую массу по сравнению с протонами или нейтронами. С другой стороны, массы протонов и нейтронов довольно похожи, хотя технически масса нейтрона немного больше массы протона.Поскольку протоны и нейтроны намного массивнее электронов, почти вся масса любого атома исходит от ядра, которое содержит все нейтроны и протоны.
Частица | Обозначение | Масса (а.е.м.) | Относительная масса (протон = 1) | Относительный заряд | Расположение |
---|---|---|---|---|---|
протон | п. + | 1 | 1 | +1 | внутри ядра |
электрон | e — | 5.45 × 10 −4 | 0,00055 | -1 | вне ядра |
нейтрон | № 0 | 1 | 1 | 0 | внутри ядра |
Таблица \ (\ PageIndex {1} \) дает свойства и расположение электронов, протонов и нейтронов. В третьем столбце показаны массы трех субатомных частиц в «атомных единицах массы».«Атомная единица массы (\ (\ text {amu} \)) определяется как одна двенадцатая массы атома углерода-12. Атомные единицы массы (\ (\ text {amu} \)) полезны , потому что, как вы можете видеть, масса протона и масса нейтрона в этой системе единиц почти точно равны \ (1 \).
Отрицательный и положительный заряды равной величины нейтрализуют друг друга. Это означает, что отрицательный заряд электрона идеально уравновешивает положительный заряд протона. Другими словами, нейтральный атом должен иметь ровно один электрон на каждый протон.Если у нейтрального атома 1 протон, у него должен быть 1 электрон. Если у нейтрального атома 2 протона, у него должно быть 2 электрона. Если у нейтрального атома 10 протонов, у него должно быть 10 электронов. Вы уловили идею. Чтобы быть нейтральным, атом должен иметь одинаковое количество электронов и протонов.
Сводка
- Электроны — это разновидность субатомных частиц с отрицательным зарядом.
- Протоны — это субатомные частицы с положительным зарядом. Протоны связаны вместе в ядре атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
- Нейтроны — это тип субатомных частиц без заряда (они нейтральны). Как и протоны, нейтроны связаны с ядром атома в результате сильного ядерного взаимодействия.
- Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, но оба они намного массивнее электронов (примерно в 2000 раз массивнее электрона).
- Положительный заряд протона равен по величине отрицательному заряду электрона. В результате в нейтральном атоме должно быть равное количество протонов и электронов.
- Атомная единица массы (а.е.м.) — единица массы, равная одной двенадцатой массы атома углерода-12
Материалы и авторство
Эта страница была создана на основе содержимого следующими участниками и отредактирована (тематически или широко) командой разработчиков LibreTexts в соответствии со стилем, представлением и качеством платформы:
Атомная структура | Безграничная анатомия и физиология
Обзор атомной структуры
Атомы состоят из частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами, которые отвечают за массу и заряд атомов.
Цели обучения
Обсудить электронные и структурные свойства атома
Основные выводы
Ключевые моменты
- Атом состоит из двух областей: ядра, которое находится в центре атома и содержит протоны и нейтроны, и внешней области атома, которая удерживает свои электроны на орбите вокруг ядра.
- Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, около 1,67 × 10 −24 граммов, которую ученые определяют как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один Дальтон.
- Каждый электрон имеет отрицательный заряд (-1), равный положительному заряду протона (+1).
- Нейтроны — это незаряженные частицы, находящиеся в ядре.
Ключевые термины
- атом : наименьшее возможное количество вещества, которое все еще сохраняет свою идентичность как химический элемент, состоящее из ядра, окруженного электронами.
- протон : положительно заряженная субатомная частица, составляющая часть ядра атома и определяющая атомный номер элемента.Он весит 1 а.е.м.
- нейтрон : субатомная частица, составляющая часть ядра атома. Это бесплатно. По массе он равен протону или весит 1 а.е.м.
Атом — это наименьшая единица вещества, которая сохраняет все химические свойства элемента. Атомы объединяются в молекулы, которые затем взаимодействуют с образованием твердых тел, газов или жидкостей. Например, вода состоит из атомов водорода и кислорода, которые объединились, чтобы сформировать молекулы воды. Многие биологические процессы посвящены расщеплению молекул на составляющие их атомы, чтобы из них можно было собрать более полезную молекулу.
Атомные частицы
Атомы состоят из трех основных частиц: протонов, электронов и нейтронов. Ядро (центр) атома содержит протоны (положительно заряженные) и нейтроны (без заряда). Внешние области атома называются электронными оболочками и содержат электроны (отрицательно заряженные). Атомы имеют разные свойства в зависимости от расположения и количества их основных частиц.
Атом водорода (H) содержит только один протон, один электрон и не содержит нейтронов.Это можно определить, используя атомный номер и массовое число элемента (см. Понятие атомных номеров и массовых чисел).
Структура атома : Изображенные здесь элементы, такие как гелий, состоят из атомов. Атомы состоят из протонов и нейтронов, расположенных внутри ядра, а электроны находятся на орбиталях, окружающих ядро.
Атомная масса
Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу, примерно 1,67 × 10 −24 граммов.Ученые определяют это количество массы как одну атомную единицу массы (а.е.м.) или один дальтон. Протоны схожи по массе, но заряжены положительно, а нейтроны не имеют заряда. Следовательно, количество нейтронов в атоме существенно влияет на его массу, но не на его заряд.
Электроны намного меньше по массе, чем протоны, всего 9,11 × 10 −28 граммов, или примерно 1/1800 атомной единицы массы. Следовательно, они не вносят большой вклад в общую атомную массу элемента.При рассмотрении атомной массы принято игнорировать массу любых электронов и вычислять массу атома, исходя только из числа протонов и нейтронов.
Электроны вносят большой вклад в заряд атома, поскольку каждый электрон имеет отрицательный заряд, равный положительному заряду протона. Ученые определяют эти заряды как «+1» и «-1». В незаряженном нейтральном атоме количество электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри ядра. В этих атомах положительный и отрицательный заряды нейтрализуют друг друга, в результате чего получается атом без чистого заряда.
Протоны, нейтроны и электроны | |||
---|---|---|---|
Заряд | Масса (а.е.м.) | Расположение | |
Протон | +1 | 1 | ядро |
нейтрон | 0 | 1 | ядро |
Электрон | -1 | 0 | орбиталей |
Протоны и нейтроны имеют массу 1 а.е.м. и находятся в ядре.Однако протоны имеют заряд +1, а нейтроны не заряжены. Электроны имеют массу приблизительно 0 а.е.м., вращаются вокруг ядра и имеют заряд -1.
Изучение свойств электрона : Сравните поведение электронов с поведением других заряженных частиц, чтобы обнаружить такие свойства электронов, как заряд и масса.
Объем атомов
С учетом размеров протонов, нейтронов и электронов большая часть объема атома — более 99 процентов — фактически является пустым пространством.Несмотря на все это пустое пространство, твердые объекты не проходят сквозь друг друга. Электроны, окружающие все атомы, заряжены отрицательно и заставляют атомы отталкиваться друг от друга, не позволяя атомам занимать одно и то же пространство. Эти межмолекулярные силы не позволяют вам провалиться сквозь такой предмет, как стул.
Интерактивное: создайте атом : создайте атом из протонов, нейтронов и электронов и посмотрите, как изменяются элемент, заряд и масса. Тогда сыграйте в игру, чтобы проверить свои идеи!
Атомный номер и массовое число
Атомный номер — это количество протонов в элементе, а массовое число — это количество протонов плюс количество нейтронов.
Цели обучения
Определите соотношение между массовым числом атома, его атомным номером, его атомной массой и количеством субатомных частиц
Основные выводы
Ключевые моменты
- Нейтральные атомы каждого элемента содержат равное количество протонов и электронов.
- Число протонов определяет атомный номер элемента и используется, чтобы отличить один элемент от другого.
- Количество нейтронов варьируется, в результате чего образуются изотопы, которые представляют собой разные формы одного и того же атома, которые различаются только количеством нейтронов, которыми они обладают.
- Вместе количество протонов и количество нейтронов определяют массовое число элемента.
- Поскольку изотопы элемента имеют несколько разные массовые числа, атомная масса рассчитывается путем получения среднего массового числа его изотопов.
Ключевые термины
- массовое число : сумма количества протонов и количества нейтронов в атоме.
- атомный номер : количество протонов в атоме.
- атомная масса : Средняя масса атома с учетом всех его естественных изотопов.
Атомный номер
Нейтральные атомы элемента содержат равное количество протонов и электронов. Число протонов определяет атомный номер элемента (Z) и отличает один элемент от другого. Например, атомный номер углерода (Z) равен 6, потому что у него 6 протонов. Количество нейтронов может изменяться для получения изотопов, которые представляют собой атомы одного и того же элемента, имеющие разное количество нейтронов.Число электронов также может быть различным в атомах одного и того же элемента, в результате чего образуются ионы (заряженные атомы). Например, железо Fe может существовать в нейтральном состоянии или в ионных состояниях +2 и +3.
Массовое число
Массовое число элемента (A) — это сумма количества протонов и количества нейтронов. Небольшой вклад массы электронов не учитывается при вычислении массового числа. Это приближение массы можно использовать, чтобы легко вычислить, сколько нейтронов имеет элемент, просто вычтя количество протонов из массового числа.Протоны и нейтроны весят около одной атомной единицы массы или а.е.м. Изотопы одного и того же элемента будут иметь одинаковый атомный номер, но разные массовые числа.
Атомный номер, химический символ и массовое число : углерод имеет атомный номер шесть и два стабильных изотопа с массовыми числами двенадцать и тринадцать соответственно. Его средняя атомная масса 12,11.
Ученые определяют атомную массу, вычисляя среднее значение массовых чисел естественных изотопов.Часто полученное число содержит десятичную дробь. Например, атомная масса хлора (Cl) составляет 35,45 а.е.м., потому что хлор состоит из нескольких изотопов, некоторые (большинство) с атомной массой 35 а.е.м. (17 протонов и 18 нейтронов), а некоторые с атомной массой 37 а.е.м. (17 протонов и 20 нейтронов).
Зная атомный номер (Z) и массовое число (A), вы можете найти количество протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме. Например, атом лития (Z = 3, A = 7 а.е.м.) содержит три протона (находится из Z), три электрона (поскольку количество протонов равно количеству электронов в атоме) и четыре нейтрона (7 — 3 = 4).
Почему нейтрон тяжелее протона?
Галилей писал, что книга природы «написана математическим языком». Это правда, что цифры возникают повсюду в жизни ученых и инженеров. Но не все числа равны: некоторые числа намного значительнее других. Количество кукабарр в Новом Южном Уэльсе в день Рождества может представлять интерес для орнитологов, но вряд ли имеет космическое значение. Однако некоторые числа кажутся фундаментальными для работы Вселенной, потому что они описывают самые основные процессы природы.Первое место в этом списке занимают субатомные частицы. Десятки частиц известны физикам, но наиболее известны составные части атомов: электроны, протоны и нейтроны. Протон примерно в 1836 раз тяжелее электрона; никто не знает, почему природа выбрала именно это число. Нейтрон немного тяжелее протона, примерно на 0,1%, или 1,00137841887 согласно лучшим измерениям. Почему это? Неужели Великий Создатель Космоса изначально имел в виду, что протон и нейтрон должны иметь одинаковую массу, но потом добавил немного больше для нейтрона, как запоздалую мысль?
Разница масс нейтрона и протона может показаться тривиальной, но она имеет важные последствия, потому что масса — это форма энергии (вспомните, что E = mc2).Нейтрон, как оказалось, имеет немного большую массу (и, следовательно, энергию), чем протон и электрон вместе взятые. В природе существует общий принцип, согласно которому физические системы, оставленные в покое, ищут свое самое низкое энергетическое состояние. Разумеется, изолированный нейтрон скоро, в среднем в течение 15 минут, спонтанно превратится в электрон и протон — процесс, известный как бета-распад. (Другая частица, называемая антинейтрино, также задействована, но это не должно нас беспокоить, потому что она почти безмассовая.) Единственная причина того, что какие-либо нейтроны все еще существуют, заключается в том, что в течение нескольких минут после горячего большого взрыва, создавшего Вселенную, некоторые нейтроны прилипли к протонам. Сильная сила связи нейтрона и протона изменяет энергетический баланс — не сильно, но достаточно, чтобы стабилизировать нейтроны.
Если бы Великий Создатель поступил наоборот, с протонами примерно на 0,1% тяжелее нейтронов, произошла бы катастрофа. В этих условиях изолированные протоны превратятся в нейтроны, а не наоборот.Некоторые протоны можно было бы спасти, присоединившись к нейтронам. Но водород, простейший химический элемент, не содержит стабилизирующего нейтрона; атомы водорода состоят только из протона и электрона. В этой отсталой Вселенной водород существовать не мог. Не может быть и стабильных долгоживущих звезд, использующих водород в качестве ядерного топлива. Более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, образующиеся в больших звездах, тоже могут никогда не образоваться. Без стабильных протонов не могло бы быть воды и, вероятно, биологии. Вселенная была бы совсем другой.
Тот факт, что вселенная, которую мы знаем, включая наше собственное существование в ней, так тонко зависит от точного значения отношения масс нейтрона к протону, вызвал жаркие споры среди ученых. Было ли это счастливой случайностью, что законы физики оказались такими? Или это предполагает что-то более глубокое?
Ученые не склонны верить в удачу, поэтому произошел всплеск интереса к теории мультивселенной, согласно которой наша Вселенная с ее отношением масс нейтронов к протонам равным 1.00137841887, лишь один из многих. В других вселенных будут другие соотношения, и, возможно, только крошечная часть будет содержать воду и звезды, которые образуют атомы, такие как углерод, из которых может возникнуть жизнь. Только в этой фракции могли быть наблюдатели, которые задумались над этим фактом. Поэтому неудивительно, что мы попадаем во Вселенную, где масса нейтрона настолько разумно настроена, чтобы допускать сложную химию и наше присутствие как мыслящих, наблюдающих существ.
Приведенный выше аргумент основан на возможности того, что массы нейтрона и протона являются «свободными параметрами», то есть они могли быть разными.Так было в 1950-х годах, когда впервые обсуждалось критическое значение отношения масс. Однако теперь мы знаем, что нейтроны и протоны на самом деле не являются элементарными частицами (в отличие от электрона, который, кажется, таковым). Скорее, это составные тела с более мелкими частицами внутри. Эти субъядерные составляющие, известные как кварки, имеют свои собственные массы. Также существует огромное количество энергии внутри нейтронов и протонов из-за чрезвычайно сильной силы, склеивающей кварки, и это тоже вносит вклад в общую массу (снова E = mc2!).Эта структурная сложность делает практически невозможным определение точных значений масс протона и нейтрона путем анализа их составляющих — не говоря уже о том, чтобы выяснить, что потребуется для того, чтобы массовый вклад этого кварка или этого кварка сместился достаточно, чтобы нарушить это решающее соотношение масс нейтронов и протонов.
Итак, на данный момент 1,00137841887 — это просто «одно из тех чисел», которые природа выбрала без всякой причины, которую люди могут понять. Если бы значение было немного отклонено, не было бы людей — Галилео или кто-либо еще — чтобы даже попытаться понять.
атом | Определение, структура, история, примеры, диаграммы и факты
Атом , наименьшая единица, на которую можно разделить материю без высвобождения электрически заряженных частиц. Это также мельчайшая единица вещества, обладающая характерными свойствами химического элемента. Таким образом, атом является основным строительным блоком химии.
Оболочечная модель атома
В оболочечной модели атома электроны занимают разные энергетические уровни или оболочки.Оболочки K и L показаны для атома неона.
Encyclopædia Britannica, Inc.
Исследуйте различные электронные конфигурации в электронных оболочках вокруг ядра атома
Атомная модель электронных конфигураций.
Британская энциклопедия, Inc. Посмотрите все видео к этой статье
Большая часть атома — это пустое пространство. Остальное состоит из положительно заряженного ядра протонов и нейтронов, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов.Ядро маленькое и плотное по сравнению с электронами, которые являются самыми легкими заряженными частицами в природе. Электроны притягиваются к любому положительному заряду своей электрической силой; в атоме электрические силы связывают электроны с ядром.
Из-за природы квантовой механики ни одно изображение не было полностью удовлетворительным для визуализации различных характеристик атома, что, таким образом, вынуждает физиков использовать дополнительные изображения атома для объяснения различных свойств.В некотором отношении электроны в атоме ведут себя как частицы, вращающиеся вокруг ядра. В других случаях электроны ведут себя как волны, застывшие вокруг ядра. Такие волновые структуры, называемые орбиталями, описывают распределение отдельных электронов. Эти орбитальные свойства сильно влияют на поведение атома, а его химические свойства определяются орбитальными группировками, известными как оболочки.
Эта статья открывается широким обзором фундаментальных свойств атома и составляющих его частиц и сил.После этого обзора следует исторический обзор наиболее влиятельных концепций об атоме, сформулированных на протяжении веков. Для получения дополнительной информации, относящейся к структуре ядра и элементарным частицам, см. субатомных частиц.
Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подпишитесь сейчас
Большая часть вещества состоит из скоплений молекул, которые можно относительно легко разделить. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов, соединенных химическими связями, которые труднее разорвать.Каждый отдельный атом состоит из более мелких частиц, а именно электронов и ядер. Эти частицы электрически заряжены, и электрические силы, действующие на заряд, несут ответственность за удержание атома вместе. Попытки разделить эти более мелкие составляющие частицы требуют постоянно увеличивающегося количества энергии и приводят к созданию новых субатомных частиц, многие из которых заряжены.
Как отмечалось во введении к этой статье, атом в основном состоит из пустого пространства. Ядро является положительно заряженным центром атома и содержит большую часть его массы.Он состоит из протонов, которые имеют положительный заряд, и нейтронов, которые не имеют заряда. Протоны, нейтроны и окружающие их электроны — долгоживущие частицы, присутствующие во всех обычных, встречающихся в природе атомах. Другие субатомные частицы могут быть обнаружены в ассоциации с этими тремя типами частиц. Однако они могут быть созданы только с добавлением огромного количества энергии и очень недолговечны.
Все атомы примерно одинакового размера, независимо от того, имеют ли они 3 или 90 электронов.Примерно 50 миллионов атомов твердого вещества, выстроенных в ряд, имеют размер 1 см (0,4 дюйма). Удобной единицей длины для измерения размеров атомов является ангстрем (Å), определяемый как 10 −10 метров. Радиус атома составляет 1-2 Å. По сравнению с общим размером атома, ядро еще более миниатюрное. Он находится в той же пропорции к атому, как шарик к футбольному полю. По объему ядро занимает всего 10 −14 метров пространства в атоме, то есть 1 часть на 100 000.Удобной единицей длины для измерения размеров ядер является фемтометр (фм), который равен 10 −15 метру. Диаметр ядра зависит от количества содержащихся в нем частиц и колеблется от примерно 4 фм для легкого ядра, такого как углерод, до 15 фм для тяжелого ядра, такого как свинец. Несмотря на малые размеры ядра, в нем сосредоточена практически вся масса атома. Протоны — массивные положительно заряженные частицы, тогда как нейтроны не имеют заряда и немного массивнее протонов.Тот факт, что ядра могут иметь от 1 до почти 300 протонов и нейтронов, объясняет их широкую вариацию массы. Самое легкое ядро, ядро водорода, в 1836 раз массивнее электрона, а тяжелые ядра почти в 500 000 раз массивнее.
Основные свойства
Самой важной характеристикой атома является его атомный номер (обычно обозначается буквой Z ), который определяется как количество единиц положительного заряда (протонов) в ядре.Например, если у атома Z из 6, это углерод, а Z из 92 соответствует урану. Нейтральный атом имеет равное количество протонов и электронов, так что положительный и отрицательный заряды точно уравновешиваются. Поскольку именно электроны определяют, как один атом взаимодействует с другим, в конечном итоге именно количество протонов в ядре определяет химические свойства атома.
Научная одиссея: люди и открытия: Чедвик открывает нейтрон
Чедвик обнаруживает нейтрон
1932
Четыре года Джеймс Чедвик находился в плену в Германии.Когда Первая мировая война закончилась, он вернулся в свою родную Англию, чтобы присоединиться к наставнику его студенческих дней Эрнесту Резерфорду. В настоящее время глава лаборатории ядерной физики Кембриджского университета, Резерфорд в 1921 году руководил защитой Чедвика, а затем назначил его помощником директора лаборатории.
Собственное исследование Чедвика сосредоточено на радиоактивности. В 1919 году Резерфорд открыл протон, положительно заряженную частицу в ядре атома. Но они и другие исследователи обнаружили, что протон, похоже, не единственная частица в ядре.
Изучая распад атома, они продолжали видеть, что атомный номер (количество протонов в ядре, эквивалентное положительному заряду атома) меньше атомной массы (средней массы атома). Например, атом гелия имеет атомную массу 4, но атомный номер (или положительный заряд) равен 2. Поскольку у электронов почти нет массы, казалось, что что-то помимо протонов в ядре прибавляет к массе. Одно из основных объяснений заключалось в том, что в ядре также были электроны и дополнительные протоны — протоны по-прежнему вносили свою массу, но их положительный заряд компенсировался отрицательно заряженными электронами.Итак, в примере с гелием в ядре было бы четыре протона и два электрона, чтобы получить массу 4, но заряд только 2. Резерфорд также высказал идею о том, что может существовать частица с массой, но без заряда. Он назвал его нейтроном и представил его как пару протона и электрона. Не было никаких доказательств какой-либо из этих идей.
Чедвик держал эту проблему в уме, пока работал над другими вещами. Его внимание привлекли эксперименты в Европе, особенно Фредерика и Ирен Жолио-Кюри.Они использовали другой метод отслеживания излучения частиц. Чедвик повторил свои эксперименты, но с целью поиска нейтральной частицы — частицы с такой же массой, что и протон, но с нулевым зарядом. Его эксперименты увенчались успехом. Он смог определить, что нейтрон действительно существует и что его масса примерно на 0,1 процента больше массы протона. Он опубликовал свои открытия с характерной скромностью в первой статье, озаглавленной «Возможное существование нейтрона». В 1935 году он получил Нобелевскую премию за свое открытие.
Его открытия были быстро приняты, и затем Вернер Гейзенберг показал, что нейтрон не может быть протон-электронным спариванием, но должен быть отдельной уникальной частицей — третьей частью атома, которую нужно найти. Эта новая идея резко изменила картину атома и ускорила открытия в атомной физике. Вскоре физики обнаружили, что нейтрон — идеальная «пуля» для бомбардировки других ядер. В отличие от заряженных частиц, он не отталкивался от одноименно заряженных частиц и мог врезаться прямо в ядро.Вскоре к атому урана была применена бомбардировка нейтронами, в результате чего его ядро расщепилось и высвободилось огромное количество энергии, предсказанное уравнением Эйнштейна E = mc 2 .
Связанные функции
Протоны, нейтроны и электроны | Глава 4: Периодическая таблица и связь
Покажите изображение острия карандаша и то, как атомы углерода выглядят на молекулярном уровне.
Проецировать изображение карандашным зумом.
Студенты должны быть знакомы с частями атома из главы 3, но, вероятно, неплохо было бы рассмотреть основные моменты.
Задайте студентам следующие вопросы:
- Какие три разные крошечные частицы составляют атом?
- Протоны, нейтроны и электроны.
- Что из этого находится в центре атома?
- Протоны и нейтроны находятся в центре (ядре) атома.Вы можете упомянуть, что водород — единственный атом, у которого обычно нет нейтронов. Ядро большинства атомов водорода состоит всего из одного протона. Небольшой процент атомов водорода имеет 1 или даже 2 нейтрона. Атомы одного и того же элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. Об этом мы поговорим в Уроке 2.
- Что приближается к ядру атома?
- Электронов
- У какого из них положительный заряд, отрицательный заряд и отсутствие заряда?
- Протон — положительный; электрон — отрицательный; нейтрон — без заряда.Заряд протона и электрона точно такой же, но противоположный. В нейтральном атоме одинаковое количество протонов и электронов компенсируют друг друга.
Примечание: На рисунке показана простая модель атома углерода. Он иллюстрирует некоторую базовую информацию, такую как количество протонов и нейтронов в ядре. Это также показывает, что количество электронов такое же, как и количество протонов. Эта модель также показывает, что одни электроны могут находиться близко к ядру, а другие — дальше.Одна из проблем этой модели заключается в том, что она предполагает, что электроны вращаются вокруг ядра по идеальным кругам в одной плоскости, но это не так. Более широко распространенная модель показывает электроны как более трехмерное «электронное облако», окружающее ядро. Учащиеся познакомятся с этими идеями более подробно в Уроке 3. Но для большей части нашего изучения химии на уровне средней школы модель, показанная на иллюстрации, будет очень полезна. Кроме того, в большинстве случаев использования этой модели атома ядро будет отображаться в виде точки в центре атома.
Покажите анимацию и объясните, что протоны и электроны имеют противоположные заряды и притягиваются друг к другу.
Спроецируйте анимацию «Протоны и электроны».
Объясните студентам, что два протона отталкиваются друг от друга и что два электрона отталкиваются. Но протон и электрон притягиваются друг к другу. Другими словами, одинаковые или «похожие» заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу.
Поскольку противоположные заряды притягиваются друг к другу, отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженным протонам. Скажите студентам, что это притяжение удерживает атом вместе.
Спроектируйте анимацию «Атом водорода».
Объясните студентам, что в атоме водорода отрицательно заряженный электрон притягивается к положительно заряженному протону. Это притяжение удерживает атом.
Скажите студентам, что водород — это простейший атом.Он имеет только 1 протон, 1 электрон и 0 нейтронов. Это единственный атом, у которого нет нейтронов. Объясните, что это простая модель, показывающая, как электрон движется вокруг ядра.
Нажмите кнопку «Показать облако» и объясните учащимся, что это другая модель. Он показывает электрон в пространстве, окружающем ядро, которое называется электронным облаком или энергетическим уровнем. Невозможно узнать местонахождение электрона, а знать только ту область, где он, скорее всего, находится.Электронное облако или энергетический уровень показывает область вокруг ядра, где электрон, скорее всего, находится.
Примечание. Любознательные студенты могут спросить, как положительно заряженные протоны могут оставаться так близко друг к другу в ядре: почему они не отталкиваются друг от друга? Это большой вопрос. Ответ выходит далеко за рамки введения в химию для средней школы, но вы можете сказать одно: существует сила, называемая «Сильная сила», которая удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома.Эта сила намного сильнее силы отталкивания одного протона от другого.
Еще один хороший вопрос: почему электрон не врезается в протон? Если их тянет друг к другу, почему они просто не сталкиваются? Опять же, подробный ответ на этот вопрос выходит за рамки химии средней школы. Но упрощенный ответ связан с энергией или скоростью электрона. По мере приближения электрона к ядру его энергия и скорость возрастают. В конечном итоге он движется в области, окружающей ядро, со скоростью, достаточно большой, чтобы уравновесить притяжение, которое его притягивает, чтобы электрон не врезался в ядро.
Раздайте каждому учащемуся рабочий лист.
Попросите учащихся ответить на вопросы об иллюстрации на рабочем листе. Учащиеся запишут свои наблюдения и ответят на вопросы о занятии в листе действий. «Объясни это с помощью атомов и молекул» и «Возьми это». Дальнейшие разделы рабочего листа будут заполняться в классе, в группах или индивидуально, в зависимости от ваших инструкций.
Сделайте упражнение, чтобы показать, что электроны и протоны притягиваются друг к другу.
Учащиеся могут увидеть доказательства наличия зарядов протонов и электронов, выполняя упражнения со статическим электричеством.
Примечание: Когда два материала трутся друг о друга под действием статического электричества, один материал имеет тенденцию терять электроны, а другой материал стремится получить электроны. В этой деятельности человеческая кожа имеет тенденцию терять электроны, в то время как полиэтиленовый пакет, сделанный из полиэтилена, имеет тенденцию получать электроны.
Вопрос для расследования
Что заставляет предметы притягивать или отталкивать друг друга?
Материалы для каждой группы
- Пластиковый пакет для продуктов
- Ножницы
Порядок действий, часть 1
Заряженный пластик и заряженный скин
- Вырежьте из пластикового пакета для продуктов 2 полоски так, чтобы каждая была примерно 2–4 см шириной и примерно 20 см длиной.
Крепко держите пластиковую полоску за один конец. Затем возьмитесь за пластиковую полоску между большим и пальцами другой руки, как показано.
- Быстро потяните верхнюю руку вверх, чтобы пластиковая полоска прошла сквозь пальцы. Сделайте это три или четыре раза.
- Дать полосе свисать. Затем поднесите к нему вторую руку.
- Напишите «притягивать» или «отталкивать» в таблице на листе действий, чтобы описать, что произошло.
Ожидаемые результаты
Пластик будет притягиваться к вашей руке и двигаться к ней. Студенты могут заметить, что пластик также притягивается к их рукам и рукавам. Сообщите учащимся, что позже на этом уроке они исследуют, почему пластиковая полоска также притягивается к незаряженным (нейтральным) поверхностям.
Примечание. Если ученики обнаруживают, что их пластиковая полоска не движется к их руке, значит, она недостаточно заряжена.Попросите их попробовать зарядить пластиковую полоску, прижав ее к штанам или рубашке, а затем быстро потянув другой рукой. Затем они должны проверить, притягивается ли пластик к их одежде. В противном случае ученикам следует попробовать зарядить пластик еще раз.
Покажите студентам модели, сравнивающие количество протонов и электронов в пластике и коже до и после их трения друг о друга.
Скажите студентам, что пластиковая полоска и их кожа состоят из молекул, состоящих из атомов.Попросите учащихся предположить, что пластик и их кожа нейтральны — что у них такое же количество протонов, как и электронов.
Проецируйте изображение Заряженный пластик и рука.
Укажите, что до того, как ученики зажали пластик между пальцами, количество протонов и электронов в каждом было одинаковым. Затем, когда ученики протянули пластик сквозь пальцы, электроны с их кожи попали на пластик. Поскольку в пластике больше электронов, чем протонов, он имеет отрицательный заряд.Поскольку их пальцы отдали часть электронов, их кожа теперь имеет больше протонов, чем электронов, поэтому она имеет положительный заряд. Положительная кожа и отрицательный пластик притягиваются друг к другу, потому что притягиваются положительное и отрицательное.
Попросите учащихся исследовать, что происходит, когда натертую пластиковую полоску подносят к столу или стулу.
Порядок действий, часть 2
Заряженный пластиковый и нейтральный стол
- Зарядите одну пластиковую полоску так же, как и раньше.
На этот раз поднесите пластиковую полоску к столу или стулу.
- Напишите в таблице «притягивать» или «отталкивать».
Ожидаемые результаты
Пластмасса движется к столу.
Объясните учащимся, почему пластик притягивается к столу. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно выполнить пару шагов, поэтому вы можете направлять учеников, нарисовав или спроецировав увеличенное изображение пластика и стола.
После того, как они потянули пластик между пальцами, он получает дополнительные электроны и отрицательный заряд. Стол имеет такое же количество протонов, что и электронов, и нейтрален. Когда пластик приближается к столу, отрицательно заряженный пластик отталкивает электроны на поверхности стола. Это делает поверхность стола возле пластика слегка позитивной. Отрицательно заряженный пластик притягивается к этой положительной области, поэтому пластик движется к ней.
Попросите учащихся зарядить два куска пластика и поднести их друг к другу, чтобы проверить, отталкиваются ли электроны друг от друга.
Попросите учащихся сделать прогноз:
- Как вы думаете, что произойдет, если зарядить две полоски пластика и поднести их друг к другу?
Порядок действий, часть 3
2 шт заряженного пластика
- Зарядить две полоски пластика
- Медленно поднесите две пластиковые полоски друг к другу.
- Напишите «притягивать» или «отталкивать» в таблице рабочего листа.
Ожидаемые результаты
Полоски будут отодвигаться или отталкиваться друг от друга. Поскольку на обеих полосках есть дополнительные электроны, каждая из них имеет дополнительный отрицательный заряд. Поскольку одни и те же заряды отталкиваются друг от друга, полосы удаляются друг от друга.
Спросите студентов:
- Что произошло, когда вы поднесли два куска пластика друг к другу?
- Концы полос отошли друг от друга.
- Используйте то, что вы знаете об электронах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
- У каждой полоски есть дополнительные электроны, поэтому они оба заряжены отрицательно. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, кусочки пластика отталкиваются друг от друга.
Попросите учащихся применить свое понимание протонов и электронов, чтобы объяснить, что происходит, когда заряженный воздушный шар приближается к листам бумаги.
Материалы для каждой группы
- Надутый баллон
- Маленькие бумажки, размер конфетти
Процедура
- Потрите воздушным шариком волосы или одежду.
- Медленно поднесите воздушный шар к маленьким кусочкам бумаги.
Ожидаемые результаты
Кусочки бумаги подпрыгнут и приклеятся к шарику.
Спросите студентов:
- Что вы наблюдали, когда заряженный шар держали рядом с листами бумаги?
- Кусочки бумаги поднялись и застряли на воздушном шаре.
- Используйте то, что вы знаете об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
- Когда вы натираете воздушный шарик своими волосами или одеждой, он собирает лишние электроны, придавая воздушному шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите шар к бумаге, электроны шара отталкивают электроны в бумаге. Поскольку на поверхности бумаги находится больше протонов, это имеет положительное изменение. Электроны все еще находятся на бумаге, но не на поверхности, поэтому в целом бумага нейтральна.Противоположности притягиваются, поэтому бумага движется вверх по направлению к воздушному шару.
Покажите имитацию «Воздушные шары и статическое электричество» из Университета Колорадо на сайте Физико-педагогических технологий в Боулдере.
В симуляции установите флажки «показать все заряды» и «Стена». Снимите все флажки.
В этой симуляции вы можете немного потереть воздушный шар о свитер и увидеть, как некоторые электроны от свитера перемещаются на воздушный шар.Это придает шару отрицательный заряд. Поскольку свитер потерял часть электронов, в нем больше протонов, чем электронов, поэтому он имеет положительный заряд. Если вы поднесете воздушный шар к свитеру, он привлечет вас. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к ткани, о которой она была натерта.
Вы также можете переместить воздушный шар к стене. Избыточный отрицательный заряд на воздушном шаре отталкивает отрицательный заряд на поверхности стены. Это оставляет больше положительного заряда на поверхности стены.Отрицательно заряженный воздушный шар притягивается к положительной области на стене. Это похоже на перемещение заряженной пластиковой полоски к пальцу.
Покажите, как электроны могут притягивать поток воды.
Проделайте следующую демонстрацию или покажите видео «Воздушный шар и вода».
Материалы демонстрационные
Процедура
- Потрите воздушный шарик о рубашку или брюки, чтобы они зарядились статическим электричеством.
- Откройте кран, чтобы струя воды была очень тонкой.
- Медленно поднесите заряженную часть воздушного шара к струе воды.
Ожидаемые результаты
Струя воды должна изгибаться, поскольку она притягивается к воздушному шару.
Спросите студентов:
- Что вы наблюдали, когда заряженный шар держали рядом с потоком воды?
- Струя воды наклонилась к воздушному шару.
- Используйте то, что вы знаете об электронах, протонах и зарядах, чтобы объяснить, почему это происходит.
- Когда вы натираете воздушный шарик своими волосами или одеждой, он собирает лишние электроны, придавая воздушному шарику отрицательный заряд. Когда вы подносите шар к потоку воды, электроны шара отталкивают электроны в воде. Поскольку больше протонов находится на поверхности воды, это имеет положительное изменение. Противоположности притягиваются, поэтому вода движется к воздушному шару.
.