Информаторий — ФЭО
Структура материи
В нашем мире все состоит из атомов. Они являются основными строительными блоками таких элементов, как водород, углерод, кислород, железо и свинец. Каждый атом содержит центральное крошечное положительно заряженное ядро и несколько электронов. Электроны обладают отрицательным электрическим зарядом и движутся вокруг ядра по облакам или как их называют — оболочкам, у которых слабо определенны границы. Ядро обычно в 10 000 раз меньше, чем электронные облака, а сами электроны еще меньше ядер. Это означает, что атом в основном пустой. Ядро атома содержит протоны, которые несут положительный заряд, равный отрицательному заряду электрона, и нейтроны, которые не несут никакого заряда. Каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов и, следовательно, электрически нейтрален. Атомы одного или разных элементов могут объединяться в более крупные, незаряженные структуры, называемые молекулы. Например, два атома кислорода образуют одну молекулу кислорода, а два атома водорода в сочетании с одним атомом кислорода образуют одну молекулу воды. Число протонов в ядре называется атомным номером и является уникальной характеристикой атома. Например, атомный номер углерода — 6, а свинца — 82. Протоны и нейтроны имеют одинаковую массу, и намного тяжелее, чем электроны. Большая часть массы в атоме сосредоточена в ядре. Общее количество протонов и нейтронов называется массовым числом. Как правило, для обозначения элемента используется его имя вместе с массовым числом. Так углеродом-12 является нуклид с шестью протонами и шестью нейтронами. Свинцом-208 является нуклид с 82 протонами и 126 нейтронами. Элементы, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами этого элемента. Водород, например, имеет три изотопа: водород-1 (водорода с ядром состоящим только из одного протона), водород-2 — дейтерий (один протон и один нейтрон), и водород-3 -тритий (один протон и два нейтрона). Железо имеет десять изотопов: 26 протонов и от 26 до 35 нейтронов в ядре.
Углерод атомное ядро — Справочник химика 21
Поскольку до сих пор не найден надежный теоретический метод расчета кулоновского интеграла г. его обычно вычисляют эмпирическим путем с помощью экспериментальных данных. В простом методе ЛКАО — МО кулоновский интеграл а, входит в качестве наиболее важного члена в выражение для энергии электрона, который движется в потенциальном поле атомного ядра г независимо от других электронов (в случае углерода атомное ядро г означает С» ). Если пренебречь потенциальным полем остальных электронов и атомных ядер, то величину —можно принять равной энергии ионизации атома. Следуя этому приближению. [c.156]
Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Протоны и нейтроны имеют почти одинаковые массы, но отличаются зарядом. У нейтрона нет электрического заряда, в то время как протон имеет положительный заряд, который точно компенсирует отрицательный заряд электрона. В табл. 1-1 указаны заряды трех перечисленных элементарных частиц, а также их массы, выраженные в атомных единицах массы. Атомная единица массы (а. е. м.) определяется как одна двенадцатая часть (точно) массы атома углерода, в ядре которого содержатся 6 протонов и 6 нейтронов. В такой шкале протоны и нейтроны обладают массами, которые близки к 1 а. е. м. каждая, но не равны точно этой величине. (Здесь уместно указать, что в [c.14]
Масса одного протона составляет 1,673 10 г. Нейтрон близок по массе протону. Электрон приблизительно в 1820 раз легче протона и нейтрона и его масса равна 9,108 10″ г. Таким образом, основная масса атома сосредоточена в атомном ядре. Поскольку оперировать со столь малыми величинами масс не всегда удобно, массы атомных ядер, атомов, молекул чаще всего выражают не в граммах, а в специальных атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята углеродная единица — Via массы атома основного изотопа углерода С. Массы протона, нейтрона и электрона в а. е. м. приведены в табл. 1. [c.19]
Рассмотрим основные свойства образующих атом частиц — электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны (нуклоны) образуют атомное ядро. Масса одного протона составляет 1,673-10 г. Нейтрон близок по массе протону. Электрон приблизительно в 1820 раз легче протона (нейтрона), масса электрона 9,108-10 г. Таким образом, основная масса атома сосредоточена в атомном ядре. Поскольку оперировать со столь малыми величинами масс не всегда удобно, массы атомных ядер, атомов, молекул чаще всего выражают не в граммах, а в специальных атомных единицах массы (а. е. м.). За атомную единицу массы принята углеродная единица, т. е. /12 массы атома основного изотопа углерода, ядро которого образовано из шести протонов и шести нейтронов 1 а. е. м.= ], 66057-кг. [c.22]
Атомная единица массы равна 1,66 10″ » г и представляет собой 1/12 часть массы атома утлерода-12 (т.е. атома изотопа углерода, в ядре которою 6р и би», а в оболочке 6е ). [c.9]
При р2-гибридизации электронные облака располагаются в одной плоскости под углами 120° друг относительно друга. Из экспериментальных данных действительно следует, что молекула этилена имеет плоское строение (рис. 47). Химическая связь, для которой линия, соединяющая атомные ядра, является осью симметрии связывающего электронного облака, называется а-связью. а-Связь возникает при лобовом перекрывании атомных орбиталей. В молекуле этилена каждый атом углерода образует по три а-связи одну друг с другом, а две — с двумя атомами водорода. Имеющиеся у атомов углерода негибридные орбитали образуют одну так называемую я-связь. Химическая связь, для которой связывающее электронное облако имеет только плоскость симметрии, проходя- [c.110]
Бензол. Рассмотрим, например, жидкий бензол. Анализ измерений релеевского рассеяния света [1] показал, что в жидком бензоле есть ассоциаты. Они образуются при взаимодействии групп С—Н одной молекулы с л-орбиталями другой молекулы бензола (л-ассоциаты). Согласно [1] при комнатной температуре ассоциировано не менее 70% молекул жидкого бензола. Молекула бензола—симметричный волчок. Через центр молекулы перпендикулярно плоскости, в которой лежат атомные ядра углерода, проходит ось симметрии С в. Если положение оси симметрии С определено, то ориентация молекулы бензола в пространстве задана. Две молекулы бензола могут взаимодействовать с образованием л-ассоциата, в котором, по-видимому, имеются две [c.103]
Графит и алмаз встречаются в природе как аллотропные моди- фикации свободного углерода. В Периодической системе Д. И Менделеева углерод расположен в четвертой группе элементов. Порядковый номер углерода 6, массовое число наиболее распространенного (98,892%) стабильного углерода 12. Ядро атома углерода состоит из б протонов и 6 нейтронов. Атомный вес природного углерода 12,01115 0,00005. Это объясняется существованием (1,108%) также стабильного изотопа с массовым числом 13. [c.7]
ЭЛЕМЕНТЫ ХИМЙЧЕСКИЕ, совокупности атомов с определенным зарядом ядра Ъ. Д. И. Менделеев определял Э. х. так материальные части простых или сложных тел, к-рые придают им известную совокупность физ. и хим. св-в . Взаимосвязи Э. X. отражает периодическая система химических элементов. Порядковый (атомный) номер элемента в ней равен заряду ядра, к-рый в свою очередь численно равен числу содержащихся в ядре протонов. Для каждого Э. х. известны разновидности атомов — изотопы (существующие в природе и полученные искусственно путем ядерного синтеза), различающиеся числом нейтронов в ядрах. Совокупность атомов, характеризующаяся определенной комбинацией протонов и нейтронов в ядре, наз. нуклидом. Атомная масса Э. х. рассчитывается, исходя из значений масс всех его природных изотопов с учетом их относит, распространенности, и выражается в атомных единицах массы, за к-рую принята 12 массы атома углерода Атомная единица массы равна 1,66057 10 кг. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу А. [c.472]
Распределение электронов обеих связей — углерод-водородной и угле-род-углеродной — одинаково и имеет цилиндрическую симметрию относительно линии, связывающей атомные ядра (рис. 4.1) благодаря такому сходству по форме связи имеют одинаковое название — о-связи (сигма-связи). [c.94]
Бензол представляет собой плоскую молекулу, в которой все атомы углерода и водорода лежат в одной плоскости. Кроме того, это очень симметричная молекула, в которой атомы углерода находятся в вершинах правильного шестигранника каждый угол связи равен 120 (2,094 рад). Каждая орбиталь связи имеет цилиндрическую симметрию вокруг линии, соединяющей атомные ядра, и поэтому эти связи обозначают как о-связи. [c.310]
Атом углерода находится в 5р -гибридизованном состоянии, поэтому молекулу можно рассматривать как пирамидальную (если рассматривать лишь атомные ядра) или тетраэдрическую (если учитывать неподеленную пару электронов). Предполагается, что эти карбанионы претерпевают инверсию (переход от одной пирамидальной конфигурации к другой) точно так же, как амины (разд. 22.6), и поэтому они должны более или менее быстро терять свою конфигурацию. [c.818]
Начиная с этого раздела, молекулярные орбиты будут нумероваться 1, 2, 3… в порядке возрастающих значений энергии Е , а атомные орбиты %г и соответствующие коэффициенты С г—в соответствии с общепринятой нумерацией атомов углерода в ядре азулена (см. формулу I). [c.197]
При образовании я-связи происходит сближение атомов углерода, потому что межъядерное пространство в двойной связи более насыщено электронами, чем в а-связи. Это стягивает атомные ядра и поэтому длина двойной связи (ОЛ 33 нм) меньше одинарной (ОЛ 54 нм). [c.72]
Ординарная, двойная и тройная связи, удерживающие разнородные атомы, обычно поляризованы, так как различные атомные ядра имеют разное сродство к электронам. Эту поляризацию выражают включением ионных структур в изображение структуры способом резонанса. В диполярных формулах, участвующих в изображении резонансного гибрида, один атом становится лишенным электрона, другой — более богатым на один электрон, и заряды оказываются разделенными. Такого рода ионные структуры никоим образом не означают, что соединение может ионизировать. Они лишь служат для описания полярного характера связей между углеродом и притягивающими электроны атомами, такими, как кислород, сера, азот и галогены. [c.104]
Большую часть объема реактора на тепловых нейтронах занимает замедлитель, служащий для снижения энергии быстрых нейтронов, образующихся в реакторе. Нейтроны теряют энергию только при столкновениях с атомными ядрами, причем более эффективны ядра легких элементов. Поэтому хороший замедлитель должен иметь высокую концентрацию легких атомов, но, конечно, не должен содержать значительных количеств примесей, способных захватывать нейтроны. Элементами, достаточно легкими и потому наиболее подходящими для использования в реакторе в качестве замедлителей, являются водород, бериллий и углерод. [c.26]
Массы выражены в атомных единицах . Атомная единица равна V,, массы изотопа атома углерода С. Нейтроны и протоны часто объединяют под общим названием нуклонов, т. е. ядерных частиц. Если порядковый номер (заряд ядра) атома обозначить через Ъ, а массу через А, то, согласно общепринятой теперь точке зрения (Е. Н. Ганой и Д. Д. Иваненко, 1932 г.), атомное ядро состоит из Ъ протонов и А—Ъ нейтронов. При этом допускается возможность перехода одной из них в другую [c.417]
Понятие электрофильный (дословно от греч. — любящий электрон) характеризует сродство реагента к электронам. Понятие нуклеофильный характеризует сродство реагента к атомному ядру, в частности атома углерода. [c.256]
Например, углерод (группа IV) встречается во всех органических соединениях, а их изучено больше миллиона. Азот (группа V) присутствует вместе с углеродом, кислородом и водородом во всех живых существах. Кроме того, он составляет приблизительно 80% воздуха. Кремний (группа IV) образует основу песков и силикатов и поэтому повсеместно встречается на поверхности земной коры. Чтобы понять, каким образом атомные ядра в этих веществах удерживаются от взаимного отталкивания, т. е. понять, почему эти вещества устойчивы, мы должны рассмотреть ковалентную связь. Таким образом мы заложим основу для изучения органических соединений — основной группы соединений, встречающихся в организме. [c.51]
Каждое атомное ядро углерода в этой цепи на внешней орбите имеет по два необобщенных электрона, за исключением концевых атомов углерода, которые имеют по 3 необобщенных электрона. Если бы все эти необобщенные электроны образовали ковалентные связи с ядрами атомов водорода, то образовался бы гексадекан (фиг. 51). (Вспомните, что прямая линия представляет собою одну пару спаренных электронов.) [c.165]
Согласно предположению Льюиса, химическая или, точнее, ковалентная связь ассоциируется с электронной парой, поделенной между двумя ядрами. Позднее выяснилось, что именно электростатическое притяжение этой пары электронов к двум ядрам удерживает их вместе, образуя химическую связь. Заполненные внутренние электронные оболочки и атомное ядро представляют собой сферический атомный остов, который обычно не принимает участия в образовании химической связи. Для атома углерода этот внутренний остов состоит из ядра с зарядом +6 и -оболочки с двумя электронами, поэтому он имеет результирующий заряд +4. Заряд остова возрастает от +1 до +8 при переходе от лития к неону. В случае атома натрия он понижается до+1, потому что теперь остов состоит из ядра с заря-дом-НИ и /С- и -оболочек, которые содержат 10 электронов. [c.12]
Но совершенно ясно, что силы, необходимые для того, чтобы удержать вместе протоны и нейтроны в получившихся после бомбардировки ядрах бария и крип-, тона, гораздо меньше тех сил, которые спаивают в одно целое такие же частицы в ядре урана — ведь в урановом ядре этих частиц почти вдвое больше. Поэтому при делении ядра урана на две части должна выделиться избыточная ядерная энергия. И действительно, при делении каждого атомного ядра урана-235 выделяется колоссальное количество энергии—почти в 50 миллионов раз больше, чем при сгорании одного атома углерода. [c.249]
Кроме заряда атомного ядра важнейшей характеристикой элемента является масса его атома. Абсолютная атомная масса — это масса атома элемента, выраженная в килограммах. Например, масса атома водорода равна 1,674 10 г масса атома кислорода равна 2,667 10 г. На практике используют относительные атомные массы, полученные делением массы атома на 1/12 массы атома углерода С. [c.42]
Согласно ряду прочности связи металл — углерод, составленному Коттоном, прочность А1—С-связи занимает промежуточное положение среди всех непереходных металлов, связанных с органическими радикалами. Средняя степень ионности этой связи составляет примерно 22% [13]. С изменением структуры радикала величина электроотрицательности меняется, но незначительно [15]. При введении других электроотрицательных заместителей эффективный заряд атомного ядра алюминия увеличивается, а связь А1—С в результате равномерного распределения электронов между другими заместителями у атома алюминия становится более ковалентной [20]. [c.62]
Кроме стехиометрических интерметаллических соединений и сплавов замещения существует другой очень большой класс сплавов, в которых один тип атомов располагается в промежутках, или пустотах, между атомами металла- хозяина . Многие гидриды, бориды, нитриды и карбиды металлов являются соединениями внедрения, что можно было бы ожидать, учитывая небольшие размеры атомных ядер элементов Н, В, Н, С по сравнению с атомными ядрами элементов-металлов (см. т. 1, табл. 14.3). Типичное соотношение радиусов в данном случае — примерно 0,5. Это дает возможность предположить, что атомы бора, азота и углерода будут располагаться преимущественно в октаэдрических пустотах Гщ ст/ мет — О, 414) металлов. Меньший по размеру атом водорода мог бы располагаться в тетраэдриче- [c.108]
Открытие нейтронов и протонно-нейтронная теория строения атомного ядра вскрыли физический смысл изотопов. Изотопами называются такие разновидности химического элемента, которые отличаются своим атомным весом, но тождественны по своим химическим свойствам и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе. Так, например, имеется три изотопа свинца с атомны.м весом 206, 207 и 208. В природе эти изотопы встречаются всегда в смеси, приче.м процентный состав каждого из них в ней постоянен. Поэтому суммарный вес свинца в таблице Менделеева 207,22. Углерод в природе является постоянной смесью двух изотопов с атомным весом 12 и 13, причем последний изотоп составляет 1,1%. [c.49]
Е ли молекула построена симметрично, то две или больше частоты могут совпадать. В этих случаях соответствующие колебания называют дважды, трижды и т. д. вырожденными. В сумму выражения (146) они входят с множителем 2, 3 и д., отвечающим степени вырождения. Например для СОа из спектральных данных были получены следующие частоты pv = = 960,1830 и 3280. Из них первая вырождена дважды. Таким образом мы в этом примере имеем не три, а четыре колебательных степени свободы. Это объясняется тем, что молекула СО3 построена так, что все три атома (углерод посредине) лежат на одной прямой. На долю вращения приходится в этом случае лишь две степени свободы (вращение вокруг оси, соединяющей атомные ядра, не требует энергии, как и в двухатомных молекулах) и на колебания остаются Зл — 5 = 4 степени свободы. Окончательно [c.56]
Например, ядро атома гелия, атомный номер которого 2, а атомная масса 4 (это оСозначается так Ие), содержит 2 протона и 2 нейтрона. Ядра атома гелия — это те самые о-частнцы, которые излучаются при радноактионом распаде. Ядро атома углерода (атомный помер 6, атомная масст 12, цС) содержит 6 протонов и 6 нейтронов, кислорода ( 0) —8 протонов и 8 нейтронов, а фтора ( gF) —9 протонов и 10 нейтронов. [c.22]
Ядерный эффект Оверхаузера. Выше было отмечено, что при подавлении спин-спинового взаимодействия с протонами увеличивается интенсивность сигналов ядер углерода, причем главная роль в этом принадлежит ядерному эффекту Оверхаузера (ЯЭО). Наиболее сильно проявляется этот эффект при электрон-ядерном взаимодействии. Например, если насытить очень мощным СВЧ-полем систему электронных спинов, то произойдет сильное увеличешие интенсивности линии поглощения атомного ядра. При этом разность заселенностей спиновых состояний ядра увеличивается в / раз, [c.100]
Качественно новое явление при рассмотрении молекул состоит в использовании гибридных орбиталей. Наиболее известными являются гибридные зр -, зр — и 5р-орбитали атома углерода, объясняющие причины многообра-зия органических соединений. Ввиду существования этих типов гибридизации в органических молекулах встречаются преимущественно два типа связи — а-связь и я-связь. Чистая а-связь встречается, например, в насыщенных углеводородах, в которых атом углерода образует гибридные р -орбитали. В ароматических углеводородах вследствие зр -гибридизации наряду с а-связью, образующей остов молекулы, имеется также еще к-связь. В случае а-связи электронное облако располагается симметрично вокруг линии, проведенной через атомные ядра. В случае п-связи электронное облако располагается симметрично по обе стороны от плоскости, проходящей через атомные ядра. В соединениях с гетероатомами к этим двум состояниям электронов добавляются еще одиночные электронные пары гетеро-атома, находящиеся на несвязывающих п-орбиталях. [c.177]
Связывание двух атомов углерода, например в этане, возникает в результате перекрывания двух атомных 5р —орбиталей (по одной от каждого из атомов), которое осуществляется вдоль их осей и приводит к образованию прочной а-связи. Было показано, что длины углерод-углеродной связи во всех насыщенных соединениях более или менее одинаковы и равны 1,54 А. Это относится, однако, к простой углерод-углеродной связи между 5/ з-гибридизованными углеродными атомами. Было показано, что длина аналогичной связи между двумя зр -тябри-дизованными углеродами, =СН—СН =, составляет в среднем около 1,47 А,, а между двумя 5р -гибридизованными углеродами =С—С= около Л,38А. Эти различия не неожиданны, поскольку электроны 5-орбиталей расположены ближе к ядру, чем электроны соответствующих р-орбиталей. То же самое справедливо и для гибридных орбиталей возрастание 5-компо-ненты в таких орбиталях приводит к тому, что электроны ближе располагаются к ядру. Поэтому при образовании связей между двумя атомами углерода их ядра неумолимо сближаются в последовательности [c.22]
Диапазон геометрических структур, для описания которых полезно обращаться к многогранникам, чрезвычайно широк. Так, например, правильный тетраэдр симметрии одинаково подходит как для молекулы тетрамера мышьяка, Аз4, так и для молекулы метана, СН (рис. 3-27). Однако в их строении имеется одно существенное различие. Оно состоит в том, что в молекуле все четыре атомных ядра, входящих в ее состав, расположены в вершинах правильного тетраэдра, ребрами которого служат химические связи между атомами мышьяка. В молекуле же метана имеется центральный атом углерода, от которого четыре химические связи направлены к четырем вершинам тетраэдра, где находятся атомы водорода. В данном случае ребра тетраэдра уже не являются химическими связями. [c.119]
О2 и озон О3), типом кристаллич. решетки (напр., модификации углерода — фафит, алмаз, карбин) или др, св-вами. Это явление наз. аллотропией, в случае углерода аллотро пия — разновидность полиморфизма. Число известных ныне простых в-в превышает 500. Поскольку определяющим признаком Э. X, служит заряд ядра, то в хим. р-циях элемент сохраняет свою индивидуальность происходит лишь перераспределение электронов внешних электронных оболочек атомов, тогда как атомные ядра остаются неизменными. Каждый Э. X. характеризуется степенями окисления, к-рые могут проявлять атомы данного элемента в хим. соединениях. [c.472]
Наоборот, электронодефицитный центр, например атом углерода в хлорметане (38), наиболее легко атакуется анионами, такими как -ОН, СЫ и т. д., или другими частицами, которые, не являясь истинными анионами, содержат атом или центр, богатые электронами, например атом азота в аммиаке НзЫ или аминах НзМТакие реагенты вследствие их тенденции атаковать субстрат в положение (или положения) с низкой электронной плотностью, т. е. в участке, где заряд атомного ядра не полностью компенсирован орбитальными электронами, называют нуклеофильными реагентами, или нуклеофилами. [c.39]
Прочность валентных электронов атома углерода зависит также от близости Их к положительно заряженному атомному ядру они отделяются от него лишь двухэлектронным слоем. Благодаря этому 66-стоятельству у атома углерода валентные электроны удерживаются в атоме прочнее, чем у атомов других элементов с четырьмя валентными электронами. Так, у кремния, следующего за углеродом элемента IV группы, валентные электроны отделены двумя электронными слоями, имеющими 2 и 8 электронов, поэтому взаимодействие между ядром и валентными электронами ослаблено (рис., 6,6). [c.28]
После того как стали более доступными эффективные источники медленных нейтронов, на помощь рентгенографическому анализу кристаллов пришла диффракция нейтронов (Ba on, 1955). В настоящее время техника метода трудна, и сам он с наибольшим успехом применяется в тех случаях, когда структура уже исследована рентгенографически. Нейтроны рассеиваются атомными ядрами. Это приводит к двух важным следствиям. Во-первых, атом оказывается точечным в той степени, которая допускается его тепловым движением это дает возможность более точной его локализации, однако в данном случае имеет еще большее значение поправка на обрыв ряда. Во-вторых, рассеивающая способность является функцией свойств ядра, а не возрастает с увеличением атомного номера. В общем тяжелые и легкие атомы рассеивают примерно одинаково. Рассеивающая способность обычного водорода, Н,—отрицательная (т. е. он рассеивает нейтроны с аномальным изменением фазы), так что атомы водорода выявляются в виде отрицательных пиков на карте распределения рассеивающей способности нейтронов однако величина этих пиков—того же порядка, что и пиков, соответствующих атомам кислорода или углерода поэтому точность локализации всех этих атомов одинакова. В противоположность обычному водороду дейтерий дает положительные пики. [c.70]
Интересно, что у монофторидов величина расстояния между атомными ядрами С—F составляет 1,42 А, а в таких молекулах, как H IF2, СС 2рг , HF3, Ср4, это расстояние оказывается меньшим и равным только 1,35—1,36 А. Если в молекуле присутствует хлор, как в случае I2F2, то расстояние С—С1 также сокращается — до 1,70 А вместо нормально наблюдаемого для хлорпроизводных 1,76—1,77 А.. Эти сокращения межатомных расстояний соответствуют значительному упрочнению связей галоидов с углеродом. [c.189]
Есть основания предполагать, что нейтрон в некоторых случаях может вызвать расщепление атомного ядра в результате только столкновения, не связываясь при этом сам. Чедвик, Фезер и Девис (1934 г.) заметили образование в камере Вильсона трех траекторий с общей исходной точкой, которые возможно обусловлены тремя а-частицами, получившимися в результате упругого столкновения нейтрона с атомом углерода [c.15]
как работают четыре главные силы природы
Все силы, с которыми мы сталкиваемся каждый день, можно свести к четырем категориям — гравитация, электромагнетизм, сильная сила и слабая. Недавно физики нашли возможные признаки пятой фундаментальной силы природы, о которой мы писали ранее. Пришло время разобраться, как работают основные.
Фундамент Вселенной
Какие силы вы знаете? Силу тяжести, натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, силу трения, взрыва, сопротивления воздуха и среды, поверхностного натяжения жидкости, силы Ван-дер-Ваальса — и на этом список не заканчивается. Однако все эти силы — производные четырех фундаментальных. Их также называют фундаментальных взаимодействиями, и именно они отвечают за все процессы во Вселенной. Если элементарные частицы можно сравнить с кусочками мозаики, то взаимодействия между ними это клей. В порядке от самых слабых к самым сильным ученые обозначили четыре взаимодействия — гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Их нельзя свести к более простым, поэтому они и называются фундаментальными.
Стоит учесть, что на сегодня достоверно известно существование четырех фундаментальных взаимодействий (не считая поля Хиггса).
Сила тяжести — гравитационное взаимодействие
Гравитация — это притяжение между двумя объектами, которые обладают массой или энергией. Каждый наблюдал это фундаментальное воздействие и благодаря нему человек может сидеть, стоять или лежать. Гравитационная сила проявляется в падении камня с обрыва; движении планеты вокруг звезды; морских приливах, за которые отвечает Луна. Гравитация является наиболее интуитивно понятной и знакомой из фундаментальных сил, при этом ее не так уж просто объяснить.
Исаак Ньютон был первым, кто предложил идею гравитации, предположительно вдохновленную падением яблока с дерева. Он описал ее как буквальное притяжение между двумя объектами. Спустя столетия Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности (ОТО) предположил, что гравитация — это не притяжение или сила. Напротив, это следствие того, что объекты искривляют пространство-время. Большой объект работает с пространством-временем примерно так же, как большой шар, помещенный в середину листа, воздействует на этот материал, деформируя его и заставляя другие, более мелкие объекты на листе падать к середине.
Закон всемирного тяготения
Хотя гравитация удерживает вместе планеты, звезды, солнечные системы и даже галактики, она оказывается самой слабой из фундаментальных сил, особенно на молекулярном и атомном уровнях. Подумайте об этом так: насколько сложно оторвать мяч от земли? Или поднять ногу? Или прыгнуть? Все эти действия противодействуют гравитации всей Земли. А на молекулярном и атомном уровнях гравитация почти не влияет на другие фундаментальные силы.
Слабая сила и распад частиц
Слабая сила, или слабое ядерное взаимодействие, несет ответственность за распад частиц. Это буквальное превращение одного типа субатомных частиц в другой. Так, например, нейтрино, отклоняющееся от нейтрона, может превратить нейтрон в протон, а нейтрино — в электрон.
Физики описывают это взаимодействие через обмен бозонами. Эти несущие силу частицы, а именно некоторые их виды, ответственны за слабое взаимодействие, электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие. В слабом взаимодействии бозоны — это заряженные частицы, называемые W- и Z-бозонами. Когда субатомные частицы — протоны, нейтроны и электроны — находятся на расстоянии 10−18 метров (0,1% диаметра протона) друг от друга, они могут обмениваться этими бозонами. В результате субатомные частицы распадаются на новые частицы.
Слабое взаимодействие имеет решающее значение для реакций ядерного синтеза. Именно они приводят в действие Солнце и производят энергию, необходимую для большинства форм жизни здесь, на Земле. Кстати, поэтому археологи используют углерод-14 для определения возраста древних костей, дерева и других ранее живых артефактов. Углерод-14 имеет шесть протонов и восемь нейтронов. Один из этих нейтронов распадается на протон с образованием азота-14, у которого — семь протонов и семь нейтронов. Такой распад происходит с предсказуемой скоростью, что и позволяет ученым определить возраст артефактов.
Электромагнитная сила
Электромагнитная сила (сила Лоренца) действует между заряженными частицами — отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами. Противоположные заряды притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Чем больше заряд, тем больше сила. И, как и гравитация, эту силу можно почувствовать.
Как следует из названия, электромагнитная сила состоит из двух частей: электрической силы и магнитной силы. Сначала физики описывали эти силы отдельно друг от друга, но позже поняли, что они являются компонентами одной.
Электрический компонент действует между заряженными частицами независимо от того, движутся они или нет, создавая поле. С помощью него заряды могут влиять друг на друга. Но как только они приходят в движение, эти заряженные частицы проявляют и вторую составляющую — магнитную силу. При движении они создают вокруг себя магнитное поле. Поэтому, когда электроны проникают через провод, чтобы, например, зарядить компьютер или телефон или включить телевизор, провод становится магнитным.
Электромагнитные силы передаются между заряженными частицами посредством обмена безмассовыми, несущими силу бозонами — фотонами, которые также являются частицами света. Однако фотоны, несущие силу, представляют собой другое их проявление. По данным университета Теннесси в Ноксвилле, они виртуальны и не поддаются обнаружению, хотя технически являются теми же частицами, что и реальная и обнаруживаемая версия фотонов.
Электромагнитная сила ответственна за некоторые из наиболее часто встречающихся явлений: трение, упругость, нормальную силу и силу, удерживающую твердые тела вместе в заданной форме. Она даже отвечает за сопротивление, с которым сталкиваются, например, птицы и самолеты. Это происходит из-за взаимодействия заряженных (или нейтральных) частиц друг с другом. Например, нормальная сила, которая удерживает книгу на столе (вместо силы тяжести, притягивающей книгу к земле), является следствием того, что электроны в атомах стола отталкивают электроны в атомах книги.
Сильное взаимодействие — в триллионы триллионы триллионов сильнее гравитации
Сильная ядерная сила, или сильное ядерное взаимодействие — мощнейшее из четырех фундаментальных сил природы. По данным HyperPhysics, это в 6 тысяч триллионов триллионов триллионов (это 39 нулей после 6) раз сильнее силы тяжести. Дело в том, что она связывает фундаментальные частицы материи вместе, чтобы сформировать более крупные частицы. Он удерживает вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, а часть сильного взаимодействия также удерживает вместе протоны и нейтроны ядра атома.
Подобно слабому взаимодействию, сильное взаимодействие действует только тогда, когда субатомные частицы находятся очень близко друг к другу. Они должны быть где-то в пределах 10−15 метров друг от друга (примерно в пределах диаметра протона).
Однако сильное взаимодействие можно назвать «странным». Дело в том, что оно, в отличие от других фундаментальных сил, становится слабее по мере приближения субатомных частиц друг к другу. Как пишут исследователи Фермилаб, сильное взаимодействие достигает максимальной «прочности», когда частицы находятся как можно дальше друг от друга. Попадая в зону действия, безмассовые заряженные бозоны — глюоны — передают сильное взаимодействие между кварками и удерживают их «склеенными». Крошечная доля сильного взаимодействия — остаточное сильным взаимодействие — действует между протонами и нейтронами. Протоны в ядре отталкиваются друг от друга из-за их одинакового заряда, но остаточная сильная сила может преодолеть этот процесс. Именно поэтому частицы остаются связанными в ядре атома.
Великое объединение и теория всего
Неурегулированный вопрос о четырех фундаментальных силах заключается в том, действительно ли они являются проявлением единственной великой силы Вселенной. Если это так, каждый из них должен иметь возможность сливаться с другими, и уже есть доказательства того, что они могут.
Физики Шелдон Глэшоу и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета с Абдусом Саламом из Имперского колледжа Лондона получили Нобелевскую премию по физике в 1979 году за объединение электромагнитной силы со слабой силой для формирования концепции электрослабой силы. Физики, работающие над созданием теорией Великого объединения, стремятся объединить электрослабое взаимодействие с сильным, чтобы определить электронно-ядерное. Ранее его предсказывали модели, однако оно еще не наблюдалось. Последний кусок головоломки потребовал бы объединения гравитации с электронно-ядерной силой для разработки теории всего — основы, которая могла бы объяснить всю Вселенную.
Однако физикам было довольно сложно объединить микроскопический мир с макроскопическим. В больших и особенно астрономических масштабах гравитация доминирует и лучше всего описывается общей теорией относительности Эйнштейна. Но на молекулярном, атомном или субатомном уровнях квантовая механика лучше всего описывает мир природы. И до сих пор никто не придумал хорошего способа объединить эти два мира.
Читать далее
Создана первая точная карта мира. Что не так со всеми остальными?
Уран получил статус самой странной планеты в Солнечной системе. Почему?
В НАСА рассказали, как они доставят образцы Марса на Землю
«Острова среди океанов темной энергии» О чем мечтает доктор Хаус: Книги: Культура: Lenta.ru
Из чего состоят живые тела и при чем тут углерод? Что такое генетический код, кто такие вирусы, как устроено эволюционное древо и почему произошел кембрийский взрыв? Книга Сергея Ястребова «От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни» дает ответы на эти и многие другие вопросы. «Фокусом» рассказа служит эволюция жизни на Земле: автор считает, что только под этим углом зрения самые разные биологические проблемы обретают единый смысл. Книга вышла в финал премии в области научно-популярной литературы «Просветитель». С разрешения издательства «Альпина Нон-фикшн» «Лента.ру» публикует фрагмент исследования.
Из чего состоят живые организмы?
Ответить на это очень легко: живые организмы, как и неживые тела, состоят из атомов.
Значение этого утверждения, что называется, трудно переоценить. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил в начале своих знаменитых «Фейнмановских лекций по физике»: «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть еe не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать в другому».
Сказанное Фейнманом, конечно, правда. Однако любое научное утверждение обязано иметь те или иные границы применимости. Поищем их и тут. Атомная гипотеза — это великое достижение человеческой мысли, но целиком ли Вселенная состоит из атомов? И все ли живые организмы состоят только из них?
На первый из этих вопросов ответ, как ни странно, будет однозначно отрицательным. Начнем с того, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор ее состав сильно изменился. Насколько можно судить, в первые 300 000 лет во Вселенной не было ни одного атома (хотя были частицы нескольких других типов). Но и после того, как атомы возникли, они не стали главной составляющей космоса. По данным космической обсерватории «Планк», нынешняя Вселенная на 4,9 процента состоит из обычных элементарных частиц, способных сложиться в атомы, на 26,8 процента — из темной материи (которая не проявляет никаких наблюдаемых свойств, кроме массы) и на 68,3 процента — из темной энергии (про которую вообще непонятно, связана ли она хоть с какими-нибудь материальными телами). Грубо говоря, Вселенная состоит из обычных атомов не больше чем на 5 процентов.
Подчеркнем, что эти соотношения отражают современное положение вещей. Несколько миллиардов лет назад они наверняка были иными, ведь Вселенная непрерывно развивается; это подтверждается и расчетами на основе общей теории относительности, и прямыми наблюдениями космического реликтового излучения. Итак, данные исследований показывают, что сейчас части Вселенной, построенные из обычного вещества, представляют собой, по сути, всего лишь острова среди океанов темной материи и темной энергии, в глубины которых людям еще только предстоит заглянуть. (Между прочим, именно о таких исследованиях мечтает доктор Хаус в первой серии восьмого сезона знаменитого сериала.)
А вот на наш второй вопрос — все ли живые системы состоят из атомов? — ответом будет уверенное «да». В этом плане биологический мир гораздо менее разнообразен, чем физический. Любое живое существо построено из атомов, и только из атомов, в полном соответствии с классической атомной гипотезой. Примеры иных, не атомных форм жизни можно пока найти лишь в научной фантастике. Например, в великом романе Станислава Лема «Солярис» упоминаются живые существа, созданные не из атомов, а из очень легких элементарных частиц — нейтрино. Но это не более чем мысленный эксперимент, поставленный писателем. В реальной биологии нам приходится иметь дело только с атомами и их устойчивыми сочетаниями, которые называются молекулами. А из молекул, в свою очередь, складываются вещества. Как писал тот же Фейнман, любое вещество — это свой тип расположения атомов.
Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images
Мир атомов довольно разнообразен. На момент написания этих строк ученым известно 118 видов атомов, которые принято называть химическими элементами. Правда, в живых телах встречаются далеко не все из них, а те, что встречаются, распределены там очень неравномерно.
Хорошая новость заключается в том, что атомы часто бывают очень долговечными. В тех процессах, которые непосредственно изучает биология, они почти никогда не распадаются, не возникают заново и не превращаются друг в друга. Это не означает, что они не превращаются друг в друга вообще никогда: очень скоро мы увидим, что, если бы не было взаимных превращений атомов (точнее, их ядер), во Вселенной не смогла бы возникнуть жизнь. Однако для понимания того, как устроены живые тела, нам будет вполне достаточно учитывать взаимодействие готовых и неизменных атомов между собой.
Кратко про атомы
Итак, атомы.
Уже довольно давно известно, что они состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов — внешняя оболочка атома, которую обычно прямо так и называют электронной оболочкой. Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг ядра по чрезвычайно сложным траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.
Самое важное для нас свойство элементарных частиц даже не масса, а электрический заряд. Здесь действуют абсолютно четкие и очень простые закономерности.
• Протон электрически заряжен положительно, электрон — отрицательно, а нейтрон не имеет никакого заряда.
• По величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Принято считать, что протон имеет заряд +1, а электрон –1.
• Число электронов в атоме по умолчанию равно числу протонов, так что заряд целого атома равен нулю. Если же число электронов отличается от числа протонов, значит, перед нами не просто атом, а заряженная частица — ион.
Физики еще в XVIII веке выяснили, что электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Также они обнаружили, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Этот закон называется основным законом электростатики, или законом Кулона (на самом деле он записывается формулой, позволяющей точно определить силу притяжения или отталкивания, но мы тут обойдемся без математики). Закон Кулона действует где угодно, в том числе и внутри атома. Собственно говоря, электроны и протоны потому и образуют единый атом, что они электростатически притягиваются друг к другу. Для справки добавим, что протоны и нейтроны «склеиваются» в атомное ядро притяжением совсем другого рода — так называемым сильным ядерным взаимодействием, которое на маленьких расстояниях гораздо мощнее электростатического. Именно поэтому протоны в ядре держатся вместе, несмотря на отталкивающую их друг от друга кулоновскую силу.
Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images
Самый главный параметр любого атома — это число протонов, или атомный номер (Z). Величина Z однозначно определяет положение данного атома в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Как мы уже знаем, число электронов обычно равно числу протонов. А вот что касается числа нейтронов, то оно может при одном и том же числе протонов быть разным. Атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разное число нейтронов, называются изотопами. Если слово “изотопы” не упоминается, значит, число нейтронов нам в данном случае неважно. Все атомы, имеющие одинаковое число протонов, по определению относятся к одному химическому элементу.
Самый простой из всех возможных атомов — водород (Z=1). Он состоит из одного протона и одного электрона. Нейтронов в нем может не быть вовсе (хотя могут и быть, в зависимости от того, какой это изотоп). Если лишить обычный простейший атом водорода его единственного электрона, от него останется положительно заряженный ион, в данном случае представляющий собой не что иное, как “голый” протон.
Еще в начале XIX века английский химик и врач Уильям Праут выдвинул опередившую свое время гипотезу, что атомы всех других химических элементов образуются в результате объединения того или иного количества атомов водорода. И он был не так уж далек от истины. Все атомы действительно состоят из однотипных частиц, самый простой возможный набор которых дает не что иное, как атом водорода (Z=1). Второй по сложности атом — гелий (Z=2), третий — литий (Z=3), ну а дальше в нашем распоряжении вся таблица Менделеева. Самые тяжелые атомы содержат больше сотни протонов и около двух сотен нейтронов. Но с такими чудовищами мы в биологии не встретимся.
Химические связи
Самый важный для нас способ взаимодействия атомов называется ковалентной связью. Это связь, образуемая общей парой электронов — по одному от каждого из двух атомов. Можно считать, что электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. На графических формулах, отображающих строение молекул наглядно, ковалентную связь обозначают простой чертой между символами химических элементов. Именно такими связями и соединены атомы в большинстве обычных молекул. Пример — молекула водорода. Она состоит из двух атомов водорода (H), образующих единственную ковалентную связь между собой: H–H, или сокращенно h3.
Иногда ковалентные связи бывают двойными — образованными сразу двумя парами электронов — или даже тройными — образованными сразу тремя парами. Чем выше кратность связи, тем эта связь при прочих равных условиях прочнее. Двойные ковалентные связи встречаются в биологии очень часто. Тройные — намного реже, но знать об их существовании все-таки не помешает. На графических формулах двойные и тройные связи обозначают, соответственно, двойными или тройными черточками между символами атомов. Например, между атомами кислорода (O) вполне может образоваться двойная связь. В результате получится молекула O=O, или сокращенно O2. Кстати, это и есть тот самый атмосферный кислород, которым мы дышим.
Гораздо реже ковалентной (по крайней мере, в живой материи) встречается ионная связь, представляющая собой электростатическое притяжение заряженных частиц. Мы уже знаем, что по закону Кулона одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поэтому положительно заряженная частица (катион) и отрицательно заряженная (анион) обязательно притянутся друг к другу. Уже упоминалось, что ионом называется любая самостоятельно существующая частица, в которой число электронов отличается от числа протонов. Сам этот термин, предложенный Майклом Фарадеем, происходит от греческого слова, означающего “идущий”: в растворе, через который пропущен электрический ток, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, а отрицательные — к положительному. Атом становится ионом, если он приобрел лишний электрон или, наоборот, часть своих электронов где-то потерял.
Отличный пример ионной связи демонстрирует всем известная поваренная соль NaCl (натрий хлор), формулу которой можно переписать как [Na+][Cl–]. Это означает, что кристалл соли состоит из положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора в соотношении один к одному. В данном случае каждый атом хлора как бы отбирает один электрон у соседнего атома натрия.
Элементы жизни
Химический состав живой материи довольно однообразен. Для того чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего-навсего пять химических элементов. Это водород (H), кислород (O), азот (N), углерод (C) и фосфор (P). На атомные номера этих элементов мы пока не будем обращать внимания: во-первых, нет ничего легче, чем найти их в таблице Менделеева, а во-вторых, для нас сейчас гораздо важнее другой показатель. Самое главное, что нам нужно знать о любом химическом элементе, — это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые может образовать его атом.
Итак, валентность водорода равна 1, кислорода — 2, азота — 3, углерода — 4 и фосфора — 5. Эти числа надо просто запомнить. Иногда у некоторых из перечисленных элементов бывают и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногих особо оговоренных. Одновалентный водород, двухвалентный кислород, трехвалентный азот, четырехвалентный углерод и пятивалентный фосфор — главные химические слагаемые жизни (см. рис. 1.2). Иногда по ходу разговора нам будут встречаться и другие атомы, например, сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), калий (K) или железо (Fe). Но постоянно помнить о них не надо. Пяти главных биогенных (то есть образующих жизнь) химических элементов для начала вполне достаточно.
Сверхновые и жизнь
Не подлежит сомнению, что большинство атомов в нашей Вселенной — это атомы водорода и гелия. Астрофизики утверждают, что 13 миллиардов лет назад, то есть «всего лишь» через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва, соотношения были следующими: примерно 75 процентов всех атомов во Вселенной составляли атомы водорода, примерно 25 процентов — атомы гелия, а на атомы всех более тяжелых элементов, вместе взятых, приходилось 0,00007 процента. Конечно, с тех пор Вселенная изменилась. Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2 процентов существующих атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого равна единице, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.
Сравнив количество разных видов атомов в современной Вселенной, мы сразу увидим, что самые распространенные в ней после водорода и гелия элементы — кислород (Z=8), углерод (Z=6) и азот (Z=7). Это можно наглядно показать на графике, изображающем относительное обилие химических элементов в нашей галактике Млечный Путь (см. рис. 1.3). По горизонтальной оси там можно отложить атомный номер (Z), а по вертикальной — распространенность элементов, причем желательно в логарифмическом масштабе (попросту говоря, это означает, что каждая “ступенька” на вертикальной оси соответствует разнице не на единицу, а в 10 раз). На таком графике первым делом бросается в глаза уже известный нам факт: водорода и гелия в Галактике во много раз больше, чем всех остальных химических элементов вместе взятых. Эти два элемента — вне конкуренции. В области лития (Z=3), бериллия (Z=4) и бора (Z=5) наблюдается явный провал, потому что ядра этих атомов относительно неустойчивы: в системе ядерных реакций, происходящих в звездах, они легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа (Z=26), наоборот, исключительно устойчиво. Многие ядерные реакции, идущие в недрах звезд, на нем заканчиваются, поэтому железо дает на графике высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы в Млечном Пути, несомненно, кислород, углерод и азот, именно те, которые стали химическими «кирпичиками» жизни. Вряд ли это случайность.
Фото: Peter Macdiarmid / Getty Images
Кроме того, нельзя не заметить, что график обилия химических элементов в Галактике — отчетливо «зубчатый». Элементы с четными атомными номерами в среднем встречаются во Вселенной намного чаще, чем элементы «примерно того же достоинства» с нечетными. Еще сто лет назад на это независимо друг от друга обратили внимание два химика — итальянец Джузеппе Оддо и американец Уильям Харкинс. Их статьи вышли, соответственно, в 1914 и 1917 годах. А правило, согласно которому элементы с четными номерами при прочих равных условиях преобладают над элементами с нечетными номерами, до сих пор называется в их честь правилом Оддо — Харкинса. Это правило обязательно приходится принимать во внимание, например при анализе химического состава земной коры.
Разгадка правила Оддо — Харкинса была предложена уже его первооткрывателями. Дело в том, что атомные ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более легких ядер. Между тем ясно, что при слиянии двух одинаковых атомных ядер в любом случае получится ядро элемента с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером. А затем образовавшиеся ядра сливаются друг с другом, давая опять же в первую очередь элементы с четными номерами. Например, «горение» гелия (Z=2), при котором его ядра объединяются друг с другом с большим выходом энергии, дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).
До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития. Насколько мы сейчас знаем, все элементы тяжелее лития синтезируются только в звездах и распространяются в результате взрывов сверхновых. Это означает, что живым организмам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.
Авторами самой знаменитой статьи, описавшей механизм синтеза химических элементов в звездах, были четверо ученых: Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл. Эту статью часто называют по инициалам авторов B2FH («бэ-квадрат-эф-аш»). Инициатором исследования был астрофизик Хойл: именно он первым догадался, что в звездах может синтезироваться не только гелий, но и углерод. Благодаря Хойлу в работу включились сперва профессиональный физик-ядерщик Фаулер (поначалу он был настроен скептически, но Хойл его переубедил), а потом астрономы Бербиджи. В сети легко найти замечательную фотографию, на которой все четверо отмечают 60-й день рождения старшего из них — Фаулера, а последний радуется действующей модели паровоза, которую ему подарили коллеги.
Статья B2FH опровергла более раннюю гипотезу Георгия Гамова, который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются примерно постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была чисто водородно-гелиевой. И только потом она стала обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд («тяжелыми элементами» мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития).
Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов
https://ria.ru/20190221/1551185583.html
Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов
Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов — РИА Новости, 21.02.2019
Ученые из МГУ выяснили, почему протоны «худеют» внутри атомов
Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном… РИА Новости, 21.02.2019
2019-02-21T15:32
2019-02-21T15:32
2019-02-21T15:32
ускорители
физика
институт теоретической и экспериментальной физики
мгу имени м. в. ломоносова
сша
наука
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn24.img.ria.ru/images/155118/54/1551185487_0:160:2100:1341_1920x0_80_0_0_e46b9a0d9ea53b52c365dc50ab133da9.jpg
МОСКВА, 21 фев – РИА Новости. Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном виде. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.Достаточно долгое время, как отмечает ученый, физики предполагали, что протоны и нейтроны, а также составляющие их кварки, ведут себя одинаково как в компании других частиц внутри ядер атомов, так и в одиночном виде.Это представление было разрушено в 1983 году, когда европейские физики начали изучать внутреннюю структуру ядер двух очень разных элементов, тяжелого водорода и железа, бомбардируя их пучками мюонов при помощи ускорителя SPS.Существовавшие в то время теоретические и эмпирические представления о том, как распределены протоны и нейтроны в ядре атома, предсказывали, что мюоны будут абсолютно одинаково взаимодействовать с этими частицами.Опыты в ЦЕРН показали, что это совсем не так – образно выражаясь, нуклоны в ядре железа «похудели» и начали реже сталкиваться с мюонами, чем их «коллеги» из дейтерия. Вдобавок, для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя «EMC-эффект», оказалась еще более очевидной. Вопрос того, почему это происходит и как на самом деле устроено ядро изнутри, как отмечает пресс-служба МГУ, был предметом самых ожесточенных споров среди физиков на протяжении последних 35 лет.Российские и зарубежные ученые смогли разрешить эту загадку, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий «выбивали» одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12, свинца и других элементов.В отличие от БАК и других современных коллайдеров, ускоритель частиц CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это позволяет ученым периодически повторно анализировать ее и совершать новые открытия, обрабатывая при помощи более совершенных алгоритмов.Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, Ишханов и его коллеги выяснили, что внутри них существует две условные группы протонов и нейтронов с заметно разными свойствами.В первую из них входят «классические» частицы, ведущие себя одинаково и внутри атомов, и во «внешнем пространстве». Они доминируют внутри ядра и их число остается всегда примерно одинаковым.EMC-эффект, в свою очередь, возникает из-за того, что некоторые протоны и нейтроны иногда «склеиваются» и превращаются в структуры, которые физики назвали SRC-парами. Они содержат в себе не три, а шесть кварков, движущихся внутри подобной «временной частицы» совсем не так, как по протонам или нейтронам.Частота появления подобных структур, как показали участники CLAS, зависит от двух параметров – массы ядра и «избытка» нейтронов по отношению к протонам. Чем больше оба параметра, тем чаще появляются SRC-пары и тем сильнее они влияют на то, как электроны, мюоны и другие частицы взаимодействуют с кварками внутри нуклонов.Это открытие, как надеются ученые, не только разрешило один из самых ярких научных «вечных споров», но и поможет нам раскрыть реальную структуру ядер и понять, похожи ли они на своеобразный «суп» из кварков и глюонов или плотно упакованную смесь из обособленных нейтронов и протонов.
https://ria.ru/20180516/1520715028.html
https://ria.ru/20181210/1547763469.html
сша
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2019
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn24.img.ria.ru/images/155118/54/1551185487_100:0:2100:1500_1920x0_80_0_0_81aad69390489a46d43f15cdc4761f89.jpg
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
ускорители, физика, институт теоретической и экспериментальной физики, мгу имени м. в. ломоносова, сша
МОСКВА, 21 фев – РИА Новости. Российские и зарубежные физики из коллаборации CLAS нашли объяснение тому, почему протоны и нейтроны ведут себя по-разному внутри ядер атомов и в свободном виде. Их выводы были опубликованы в журнале Nature.
«Данный результат, не укладывающийся в рамки традиционных представлений оболочечной модели ядра, меняет наши представления о его внутренней области и стимулирует исследования влияния кварковой структуры нуклонов на его свойства», — заявил Борис Ишханов, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ.
Достаточно долгое время, как отмечает ученый, физики предполагали, что протоны и нейтроны, а также составляющие их кварки, ведут себя одинаково как в компании других частиц внутри ядер атомов, так и в одиночном виде.
Это представление было разрушено в 1983 году, когда европейские физики начали изучать внутреннюю структуру ядер двух очень разных элементов, тяжелого водорода и железа, бомбардируя их пучками мюонов при помощи ускорителя SPS.
Существовавшие в то время теоретические и эмпирические представления о том, как распределены протоны и нейтроны в ядре атома, предсказывали, что мюоны будут абсолютно одинаково взаимодействовать с этими частицами.
16 мая 2018, 20:00НаукаФизики нашли внутри протонов самую плотную форму материи во Вселенной
Опыты в ЦЕРН показали, что это совсем не так – образно выражаясь, нуклоны в ядре железа «похудели» и начали реже сталкиваться с мюонами, чем их «коллеги» из дейтерия. Вдобавок, для более тяжелых элементов, таких как свинец или золото, данная аномалия, получившая имя «EMC-эффект», оказалась еще более очевидной.
Вопрос того, почему это происходит и как на самом деле устроено ядро изнутри, как отмечает пресс-служба МГУ, был предметом самых ожесточенных споров среди физиков на протяжении последних 35 лет.
Российские и зарубежные ученые смогли разрешить эту загадку, воспользовавшись данными, которые собирали участники проекта CLAS, наблюдавшие за тем, как электроны высоких энергий «выбивали» одиночные протоны и нейтроны из атомов дейтерия, углерода-12, свинца и других элементов.
В отличие от БАК и других современных коллайдеров, ускоритель частиц CEBAF, на котором проводились эти опыты в 1998-2012 годах, записывал не только важные данные, но и все события, которые происходили внутри него. Это позволяет ученым периодически повторно анализировать ее и совершать новые открытия, обрабатывая при помощи более совершенных алгоритмов.
Сравнив последствия столкновений электронов с тяжелыми ядрами свинца и легким алюминием, железом и углеродом, Ишханов и его коллеги выяснили, что внутри них существует две условные группы протонов и нейтронов с заметно разными свойствами.
В первую из них входят «классические» частицы, ведущие себя одинаково и внутри атомов, и во «внешнем пространстве». Они доминируют внутри ядра и их число остается всегда примерно одинаковым.
EMC-эффект, в свою очередь, возникает из-за того, что некоторые протоны и нейтроны иногда «склеиваются» и превращаются в структуры, которые физики назвали SRC-парами. Они содержат в себе не три, а шесть кварков, движущихся внутри подобной «временной частицы» совсем не так, как по протонам или нейтронам.
10 декабря 2018, 19:21Наука Физики впервые создали капли из первичной материи Вселенной
Частота появления подобных структур, как показали участники CLAS, зависит от двух параметров – массы ядра и «избытка» нейтронов по отношению к протонам. Чем больше оба параметра, тем чаще появляются SRC-пары и тем сильнее они влияют на то, как электроны, мюоны и другие частицы взаимодействуют с кварками внутри нуклонов.
Это открытие, как надеются ученые, не только разрешило один из самых ярких научных «вечных споров», но и поможет нам раскрыть реальную структуру ядер и понять, похожи ли они на своеобразный «суп» из кварков и глюонов или плотно упакованную смесь из обособленных нейтронов и протонов.
В России разрабатывают технологию против самых безнадежных видов рака
https://ria.ru/20210710/rak-1740056353.html
В России разрабатывают технологию против самых безнадежных видов рака
В России разрабатывают технологию против самых безнадежных видов рака — РИА Новости, 12.07.2021
В России разрабатывают технологию против самых безнадежных видов рака
В мире порядка 25 тысяч онкобольных прошли экспериментальное лечение ионами углерода. Его используют для самых труднодоступных, резистентных опухолей. РИА… РИА Новости, 12.07.2021
2021-07-10T08:00
2021-07-10T08:00
2021-07-12T09:59
наука
ускорители
биология
онкология
рак
физика
здоровье — общество
/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content
/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content
https://cdn25.img.ria.ru/images/07e4/0a/0c/1579423672_0:19:1600:919_1920x0_80_0_0_a6ced11ead97cdbe94c742a3d2cdbcb5.jpg
МОСКВА, 10 июл — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В мире порядка 25 тысяч онкобольных прошли экспериментальное лечение ионами углерода. Его используют для самых труднодоступных, резистентных опухолей. РИА Новости вместе с экспертами рассказывает о проектах центров углеродной терапии, которые развивают в России.От фотонов к протонамВскоре после открытия рентгеновских лучей и радиоактивности, еще не исследовав все их свойства, ученые увидели перспективы для медицины. Фотоны, альфа- и бета-излучение, гамма-кванты, проходя через материал, вызывают спонтанную ионизацию его атомов и молекул. Живые ткани, состоящие из воды и органических соединений, от радиационного излучения повреждаются вплоть до полного уничтожения. Так возникла идея лечить опухоли.Первые опыты по радиовоздействию на рак груди и матки провели на рубеже XIX-XX веков. Сейчас лучевые терапия и хирургия — неотъемлемый элемент лечения самых сложных опухолей. Однако есть существенный недостаток — излучение пронзает тело насквозь, не задерживаясь. Сложно сфокусировать строго на нужном участке, поэтому страдают и здоровые ткани. Только в наше время с изобретением киберножа в этом направлении наметился прогресс.Любопытно, что еще отцы-основатели радиобиологии знали, как преодолеть недостаток лучевого воздействия: использовать вместо нейтральных частиц — фотонов, гамма-квантов — заряженные. Их можно разогнать в магнитном поле и бомбардировать опухоль.Отрицательно заряженные электроны — очень легкие частицы, при столкновении с ядрами и оболочками меняют траекторию, поэтому их сложно сфокусировать, быстро теряют энергию, эффективный пробег маленький. Ими облучают только поверхностные опухоли.Другое дело протоны — положительно заряженные тяжелые частицы, входящие в состав атомного ядра. Их можно собрать в тонкий пучок, разогнать в электромагнитном поле и словно пулю вонзить глубоко в живое вещество. В конце пучок лишь на десять процентов расширяется, тормозит резко, сбрасывая большую часть энергии на последних сантиметрах пробега. Английский физик Уильям Брегг в 1903 году показал это на примере альфа-распада, теперь это явление носит его имя.Протоны-пули разрывают раковые клетки и все, что у них внутри, включая ДНК. А без генетического аппарата клетка погибает. Кроме того, в результате ионизации рождается множество вторичных частиц, таких как свободные радикалы. Эти неустойчивые атомы с неспаренными электронами в оболочке химически очень агрессивны. Когда их много, они способны нанести клетке несовместимые с жизнью повреждения.Пучки протонов эффективнее уничтожают опухоли внутренних органов. Их используют для лечения рака сердца, глаз, мозга.Скальпель из ионовПорвать молекулу ДНК не так-то легко: у нее две нити, скрученные в спираль, и есть масса способов самозаживления. Чтобы убить раковую клетку, требуется несколько сеансов. А это увеличивает риск побочных эффектов, включая вторичные опухоли. Значит, надо взять еще более тяжелые частицы и расстрелять ими опухоль до полного уничтожения.В этом смысле особенно перспективным выглядит ядро углерода. В нем по шесть протонов и нейтронов. Ионизирующая способность (считается как квадрат заряда) в 36 раз выше, чем у протона. Пучок более компактный. Пробег в водной среде зависит от энергии и в ускорителях медицинского назначения достигает 15 сантиметров, как раз половина ширины тела среднего человека.Углеродный пучок можно сравнить со скальпелем. Первые 11 сантиметров пробега — рукоятка, которую держит хирург, последние четыре, где сбрасывается энергия, — острое лезвие. Как раз для самых труднодоступных, особо резистентных опухолей в органах, где другие методы не годятся.Для работы с ионами нужны огромные сложные установки — такие, на которых исследуют основы мироздания. Недаром в крупных научных центрах с адронными ускорителями (адроны — класс составных частиц, включающий протоны) с середины прошлого века лечат пациентов. Со временем установки для протонной терапии сделали компактными, выработали эффективные протоколы облучения. Теперь эту технологию активно внедряют в медицину по всему миру. С углеродом все оказалось гораздо сложнее.Проекты ОИЯИВ СССР первыми применили ионы углерода в медицинских целях в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В 1960-е построили синхрофазотрон, затем синхротрон «Нуклотрон». Углеродным пучком облучали культуры клеток и живые объекты, в том числе чтобы понять воздействие жесткого космического излучения на мозг и ключевые системы организма. Но медицинской технологии для широкого применения не было.Как рассказал РИА Новости Евгений Сыресин из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, теперь «Нуклотрон» войдет в строящийся коллайдер NICA — установку класса мегасаянс для ускорения тяжелых ядер, в том числе углерода. Коллайдер ориентирован главным образом на фундаментальные задачи.Для медицины есть другие проекты. Один — на базе действующего сверхпроводящего синхротрона, другой — совместный с бельгийской фирмой IBA: сверхпроводящий циклотрон С400 для терапии ионами углерода сооружают во Франции в центре CYCLHAD.»Сверхпроводимость позволяет значительно снизить размеры и вес элементов, что важно для медицинских ускорителей», — поясняет сотрудник той же лаборатории Виктор Смирнов, один из авторов проекта каскада циклотронов.»Циклотроны лучше подходят для медицинских целей. Они компактнее синхротронов», — отмечает исследователь.Большинство такого рода установок стараются делать многофункциональными. Смирнов с коллегами предлагают использовать инжектор для протонов и ядер углерода, востребованных и в ионной терапии, и для производства медицинских изотопов.Установка в ИФВЭВ середине 1990-х углеродом занялись в Протвино. Как и в Дубне, здесь крупный ускорительный центр, где с советских времен ведет фундаментальные исследования Институт физики высоких энергий (ИФВЭ). Линейный ускоритель выступает как инжектор — создает и впрыскивает протонный пучок в другой ускоритель. Еще есть бустер — небольшой кольцевой ускоритель для разгона пучка — и километровое кольцо У-70, где накапливают ускоренные протоны.Ядро углерода разгонять гораздо сложнее протона: в нем шесть нейтронов, не чувствующих электромагнитное поле. Это просто лишняя масса. Расчеты, однако, показали, что ускорители справятся. Средств на это не выделили, в те годы мало кто верил в успех, работали на энтузиазме. Когда в 2011-м удалось получить пучок нужных параметров, все поняли: перспективы есть.К тому времени подтянулись биофизики из Обнинска, Москвы, Пущино, которым было интересно исследовать воздействие углеродного пучка на биологические объекты. В 2014-м ИФВЭ вошел в состав Курчатовского института, а в марте 2020-го правительство утвердило программу развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры до 2027-го, куда включили проект центра ионной терапии в Протвино.Реализовать его планируют в три этапа, уточнили в Медицинском радиологическом научном центре имени А. Ф. Цыба в Обнинске (МРНЦ), который сотрудничает с Противно. Сначала это будет одна лучевая комната, оборудованная экспериментальным столом собственной разработки. Пучок выходит горизонтально, расширяется посредством воблер-магнитов, разделяется в многолепестковом коллиматоре и пересекает смешанную активно-пассивную систему сброса энергии.»На следующем этапе в блок вывода с У-70 добавят поворотные магниты, отводящие пучок на две процедурных комнаты, где установлены сканирующие магниты, дающие тонкий сканирующий пучок. Одна из комнат — с пучком под 30 градусов. Все это позволит лечить радиорезистентные опухоли головы и шеи (меланомы, глиомы, саркомы мягких тканей, опухоли слюнных желез), гастроэнтерологического тракта, печени, поджелудочной, простаты, а также повторно облучать опухоли», — отмечают в МРНЦ.Заключительный этап — создание синхротрона KIT («типового отечественного синхротрона») с длиной орбиты 87 метров, который станет основой клинического центра с собственным зданием, тремя облучательскими комнатами со сканирующим пучком и одним экспериментальным выводом.Планы МРНЦ в ОбнинскеМежду тем в МРНЦ имени А. Ф. Цыба, крупнейшем в стране центре радиологии, обсуждают проект комплекса ионной терапии совместно с Японией. Именно там в городе Чиба в 1994 году запустили первую в мире установку для лечения рака ионами углерода. Через нее прошли порядка 13 тысяч человек.Японский комплекс включает в себя синхротрон, магнитную разводку на три кабины со сканирующим пучком с пропускной способностью свыше 250 пациентов в год каждая. Все это разместят в Обнинске.Вместе с японским комплексом медики получат доступ к схемам лечения больных — ключевому элементу технологии. На ее разработку уходят десятки лет. Здесь же есть возможность опереться на мировой опыт, что в данном случае — одно из важнейших условий успеха.Преимущества лечения»Тяжелые заряженные частицы в целом и ионы углерода в частности соответствуют кривой Брегга — большая часть энергии выделяется в конце пробега, а до и после пика Брегга доза значительно меньше. Максимум определяется исходной энергией частицы, которая вылетает из ускорителя. Значит, можно добиваться оптимального дозного поля в теле пациента, минимально повреждающего здоровые ткани», — подчеркнули в МРНЦ.Это подтверждают оценки относительной биологической эффективности (ОБЭ), показывающей, при какой дозе воздействие на организм аналогично стандартному излучению. ОБЭ ведет к лучшему контролю над ростом опухоли, но и вызывает осложнения в окружающих тканях, пишут авторы статьи в журнале «Биофизика», среди которых — ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино. В экспериментах на мышах они установили, что ОБЭ углеродного пучка на радиобиологическом стенде У-70 ИФВЭ с максимальной энергией 450 МэВ/нуклон в пике Брегга в 1,5 раза выше, чем при рентгеновском излучении. До пика, наоборот, меньше в 0,8 раза. То есть все верно: ткани, через которые идет пучок, до сброса энергии страдают минимально.Сходные данные получили на «Нуклотроне» в Дубне. «В первом приближении нагрузка на здоровые ткани при терапии ионами углерода примерно в два раза меньше, чем при протонной терапии, и в четыре раза меньше, чем при обычной рентгеновской терапии, реализуемой в России на основе электронных ускорителей», — отмечает Евгений Сыресин.Ионная терапия незаменима при облучении радиорезистентных опухолей, добавляет ученый. Они практически не чувствительны к обычным видам излучения или даже протонам. А таких больных 10-15 процентов.В МРНЦ уточняют, что ионы углерода эффективнее против опухолей, устойчивость которых вызвана внутренними причинами, дефицитом кислорода, а также раковыми стволовыми клетками. Ионы углерода хороши еще и тем, что дозу можно кардинально повысить за одну фракцию, сократив таким образом курс лечения. Обсуждают и перспективы FLASH-терапии — ультравысокая доза за миллисекунды. Большие надежды возлагают на сочетание углеродной терапии с иммунотерапией рака.В одном из последних обзоров Марко Дюранте из Института тяжелых ионов имени Гельмгольца в Германии, втором после Японии крупнейшем центре ионной терапии, отмечает, что у пациентов с хордомой, раком простаты и прямой кишки без метастазов срок дожития больше по сравнению с теми, кого лечили обычной радиотерапией или протонами.Отдаленные риски и перспективаУченые все чаще обращают внимание на отдаленные и мало изученные последствия облучения тяжелыми ионами. Наибольшее опасение вызывают новообразования у пролеченных людей.Установили, что протоны и ядра углерода тормозят в пике Брегга и дальше него не проникают, однако у них есть хвост из вторичных частиц. «Это возбужденные атомы, радикалы, ионы, отрицательно заряженные ионы-анионы, электроны, а также частицы, образованные в ходе ядерных реакций», — перечисляет Евгений Сыресин.Углеродный хвост оставляет за пиком Брегга около десяти процентов исходной дозы. Для сравнения, у ионов неона — до 30 процентов, поэтому такие тяжелые частицы не используют в радиотерапии. На протонном хвосте — один-два процента. «Из-за этого протоны более эффективны, чем ионы углерода, когда рядом с опухолью находится критический орган, для которого необходим резкий спад дозы, такой как глазной нерв», — приводит пример исследователь.Что касается образования вторичных опухолей у пролеченных ионами углерода, практика это не подтверждает, утверждает Марко Дюранте. У пациентов с раком простаты риск вторичных злокачественных опухолей ниже, чем после обычной радиотерапии и хирургии.Несмотря на более чем два десятка лет исследований углеродная, или, как ее еще называют, карбоновая терапия остается экспериментальным методом. В мире его применяют в 13 центрах, большинство из которых расположены в Японии.В России должно быть порядка десяти таких центров, полагает Евгений Сыресин. «Ионы углерода — несомненно, самая перспективная технология радиотерапии, но при этом и самая дорогая. Стоимость центра, а значит, и курса лечения примерно в 1,5 раза выше, чем для протонной терапии», — уточняет он.За рубежом речь идет о 40-60 тысячах долларов. «Сколько могло бы быть у нас, пока неизвестно, так как в России технология ионной терапии находится на стадии внедрения», — говорят в МРНЦ.Впрочем, если углеродную терапию, как и протонную, причислят к высокотехнологичной помощи, это станет шагом вперед.
https://ria.ru/20190327/1552131585.html
https://ria.ru/20171211/1510608579.html
https://ria.ru/20210112/radioterapiya-1592545146.html
https://ria.ru/20210522/rak-1733304556.html
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
2021
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
Новости
ru-RU
https://ria.ru/docs/about/copyright.html
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
https://cdn24.img.ria.ru/images/07e4/0a/0c/1579423672_89:0:1512:1067_1920x0_80_0_0_64a865580726d7c3ac560513c314aab9.jpg
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
РИА Новости
7 495 645-6601
ФГУП МИА «Россия сегодня»
https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/
ускорители, биология, онкология, рак, физика, здоровье — общество
МОСКВА, 10 июл — РИА Новости, Татьяна Пичугина. В мире порядка 25 тысяч онкобольных прошли экспериментальное лечение ионами углерода. Его используют для самых труднодоступных, резистентных опухолей. РИА Новости вместе с экспертами рассказывает о проектах центров углеродной терапии, которые развивают в России.
От фотонов к протонам
Вскоре после открытия рентгеновских лучей и радиоактивности, еще не исследовав все их свойства, ученые увидели перспективы для медицины. Фотоны, альфа- и бета-излучение, гамма-кванты, проходя через материал, вызывают спонтанную ионизацию его атомов и молекул. Живые ткани, состоящие из воды и органических соединений, от радиационного излучения повреждаются вплоть до полного уничтожения. Так возникла идея лечить опухоли.
Первые опыты по радиовоздействию на рак груди и матки провели на рубеже XIX-XX веков. Сейчас лучевые терапия и хирургия — неотъемлемый элемент лечения самых сложных опухолей. Однако есть существенный недостаток — излучение пронзает тело насквозь, не задерживаясь. Сложно сфокусировать строго на нужном участке, поэтому страдают и здоровые ткани. Только в наше время с изобретением киберножа в этом направлении наметился прогресс.
Любопытно, что еще отцы-основатели радиобиологии знали, как преодолеть недостаток лучевого воздействия: использовать вместо нейтральных частиц — фотонов, гамма-квантов — заряженные. Их можно разогнать в магнитном поле и бомбардировать опухоль.
Отрицательно заряженные электроны — очень легкие частицы, при столкновении с ядрами и оболочками меняют траекторию, поэтому их сложно сфокусировать, быстро теряют энергию, эффективный пробег маленький. Ими облучают только поверхностные опухоли.
Другое дело протоны — положительно заряженные тяжелые частицы, входящие в состав атомного ядра. Их можно собрать в тонкий пучок, разогнать в электромагнитном поле и словно пулю вонзить глубоко в живое вещество. В конце пучок лишь на десять процентов расширяется, тормозит резко, сбрасывая большую часть энергии на последних сантиметрах пробега. Английский физик Уильям Брегг в 1903 году показал это на примере альфа-распада, теперь это явление носит его имя.
Протоны-пули разрывают раковые клетки и все, что у них внутри, включая ДНК. А без генетического аппарата клетка погибает. Кроме того, в результате ионизации рождается множество вторичных частиц, таких как свободные радикалы. Эти неустойчивые атомы с неспаренными электронами в оболочке химически очень агрессивны. Когда их много, они способны нанести клетке несовместимые с жизнью повреждения.
Пучки протонов эффективнее уничтожают опухоли внутренних органов. Их используют для лечения рака сердца, глаз, мозга.
Скальпель из ионов
Порвать молекулу ДНК не так-то легко: у нее две нити, скрученные в спираль, и есть масса способов самозаживления. Чтобы убить раковую клетку, требуется несколько сеансов. А это увеличивает риск побочных эффектов, включая вторичные опухоли. Значит, надо взять еще более тяжелые частицы и расстрелять ими опухоль до полного уничтожения.
В этом смысле особенно перспективным выглядит ядро углерода. В нем по шесть протонов и нейтронов. Ионизирующая способность (считается как квадрат заряда) в 36 раз выше, чем у протона. Пучок более компактный. Пробег в водной среде зависит от энергии и в ускорителях медицинского назначения достигает 15 сантиметров, как раз половина ширины тела среднего человека.
Углеродный пучок можно сравнить со скальпелем. Первые 11 сантиметров пробега — рукоятка, которую держит хирург, последние четыре, где сбрасывается энергия, — острое лезвие. Как раз для самых труднодоступных, особо резистентных опухолей в органах, где другие методы не годятся.
Для работы с ионами нужны огромные сложные установки — такие, на которых исследуют основы мироздания. Недаром в крупных научных центрах с адронными ускорителями (адроны — класс составных частиц, включающий протоны) с середины прошлого века лечат пациентов. Со временем установки для протонной терапии сделали компактными, выработали эффективные протоколы облучения. Теперь эту технологию активно внедряют в медицину по всему миру. С углеродом все оказалось гораздо сложнее.
Проекты ОИЯИ
В СССР первыми применили ионы углерода в медицинских целях в Дубне в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). В 1960-е построили синхрофазотрон, затем синхротрон «Нуклотрон». Углеродным пучком облучали культуры клеток и живые объекты, в том числе чтобы понять воздействие жесткого космического излучения на мозг и ключевые системы организма. Но медицинской технологии для широкого применения не было.
Как рассказал РИА Новости Евгений Сыресин из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, теперь «Нуклотрон» войдет в строящийся коллайдер NICA — установку класса мегасаянс для ускорения тяжелых ядер, в том числе углерода. Коллайдер ориентирован главным образом на фундаментальные задачи.
Для медицины есть другие проекты. Один — на базе действующего сверхпроводящего синхротрона, другой — совместный с бельгийской фирмой IBA: сверхпроводящий циклотрон С400 для терапии ионами углерода сооружают во Франции в центре CYCLHAD.
«Сверхпроводимость позволяет значительно снизить размеры и вес элементов, что важно для медицинских ускорителей», — поясняет сотрудник той же лаборатории Виктор Смирнов, один из авторов проекта каскада циклотронов.
«Циклотроны лучше подходят для медицинских целей. Они компактнее синхротронов», — отмечает исследователь.
Большинство такого рода установок стараются делать многофункциональными. Смирнов с коллегами предлагают использовать инжектор для протонов и ядер углерода, востребованных и в ионной терапии, и для производства медицинских изотопов.
27 марта 2019, 08:00НаукаРоссийские физики готовятся нарушить фундаментальный закон природы
Установка в ИФВЭ
В середине 1990-х углеродом занялись в Протвино. Как и в Дубне, здесь крупный ускорительный центр, где с советских времен ведет фундаментальные исследования Институт физики высоких энергий (ИФВЭ). Линейный ускоритель выступает как инжектор — создает и впрыскивает протонный пучок в другой ускоритель. Еще есть бустер — небольшой кольцевой ускоритель для разгона пучка — и километровое кольцо У-70, где накапливают ускоренные протоны.
Ядро углерода разгонять гораздо сложнее протона: в нем шесть нейтронов, не чувствующих электромагнитное поле. Это просто лишняя масса. Расчеты, однако, показали, что ускорители справятся. Средств на это не выделили, в те годы мало кто верил в успех, работали на энтузиазме. Когда в 2011-м удалось получить пучок нужных параметров, все поняли: перспективы есть.
К тому времени подтянулись биофизики из Обнинска, Москвы, Пущино, которым было интересно исследовать воздействие углеродного пучка на биологические объекты. В 2014-м ИФВЭ вошел в состав Курчатовского института, а в марте 2020-го правительство утвердило программу развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры до 2027-го, куда включили проект центра ионной терапии в Протвино.Реализовать его планируют в три этапа, уточнили в Медицинском радиологическом научном центре имени А. Ф. Цыба в Обнинске (МРНЦ), который сотрудничает с Противно. Сначала это будет одна лучевая комната, оборудованная экспериментальным столом собственной разработки. Пучок выходит горизонтально, расширяется посредством воблер-магнитов, разделяется в многолепестковом коллиматоре и пересекает смешанную активно-пассивную систему сброса энергии.
«На следующем этапе в блок вывода с У-70 добавят поворотные магниты, отводящие пучок на две процедурных комнаты, где установлены сканирующие магниты, дающие тонкий сканирующий пучок. Одна из комнат — с пучком под 30 градусов. Все это позволит лечить радиорезистентные опухоли головы и шеи (меланомы, глиомы, саркомы мягких тканей, опухоли слюнных желез), гастроэнтерологического тракта, печени, поджелудочной, простаты, а также повторно облучать опухоли», — отмечают в МРНЦ.
Заключительный этап — создание синхротрона KIT («типового отечественного синхротрона») с длиной орбиты 87 метров, который станет основой клинического центра с собственным зданием, тремя облучательскими комнатами со сканирующим пучком и одним экспериментальным выводом.
Планы МРНЦ в Обнинске
Между тем в МРНЦ имени А. Ф. Цыба, крупнейшем в стране центре радиологии, обсуждают проект комплекса ионной терапии совместно с Японией. Именно там в городе Чиба в 1994 году запустили первую в мире установку для лечения рака ионами углерода. Через нее прошли порядка 13 тысяч человек.
Японский комплекс включает в себя синхротрон, магнитную разводку на три кабины со сканирующим пучком с пропускной способностью свыше 250 пациентов в год каждая. Все это разместят в Обнинске.
Вместе с японским комплексом медики получат доступ к схемам лечения больных — ключевому элементу технологии. На ее разработку уходят десятки лет. Здесь же есть возможность опереться на мировой опыт, что в данном случае — одно из важнейших условий успеха.
Преимущества лечения
«Тяжелые заряженные частицы в целом и ионы углерода в частности соответствуют кривой Брегга — большая часть энергии выделяется в конце пробега, а до и после пика Брегга доза значительно меньше. Максимум определяется исходной энергией частицы, которая вылетает из ускорителя. Значит, можно добиваться оптимального дозного поля в теле пациента, минимально повреждающего здоровые ткани», — подчеркнули в МРНЦ.
Это подтверждают оценки относительной биологической эффективности (ОБЭ), показывающей, при какой дозе воздействие на организм аналогично стандартному излучению. ОБЭ ведет к лучшему контролю над ростом опухоли, но и вызывает осложнения в окружающих тканях, пишут авторы статьи в журнале «Биофизика», среди которых — ученые из Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН в Пущино. В экспериментах на мышах они установили, что ОБЭ углеродного пучка на радиобиологическом стенде У-70 ИФВЭ с максимальной энергией 450 МэВ/нуклон в пике Брегга в 1,5 раза выше, чем при рентгеновском излучении. До пика, наоборот, меньше в 0,8 раза. То есть все верно: ткани, через которые идет пучок, до сброса энергии страдают минимально.11 декабря 2017, 08:00НаукаСкальпель из ионов: как заставить ядра углерода лечить рак
Сходные данные получили на «Нуклотроне» в Дубне. «В первом приближении нагрузка на здоровые ткани при терапии ионами углерода примерно в два раза меньше, чем при протонной терапии, и в четыре раза меньше, чем при обычной рентгеновской терапии, реализуемой в России на основе электронных ускорителей», — отмечает Евгений Сыресин.
Ионная терапия незаменима при облучении радиорезистентных опухолей, добавляет ученый. Они практически не чувствительны к обычным видам излучения или даже протонам. А таких больных 10-15 процентов.
В МРНЦ уточняют, что ионы углерода эффективнее против опухолей, устойчивость которых вызвана внутренними причинами, дефицитом кислорода, а также раковыми стволовыми клетками. Ионы углерода хороши еще и тем, что дозу можно кардинально повысить за одну фракцию, сократив таким образом курс лечения. Обсуждают и перспективы FLASH-терапии — ультравысокая доза за миллисекунды. Большие надежды возлагают на сочетание углеродной терапии с иммунотерапией рака.
В одном из последних обзоров Марко Дюранте из Института тяжелых ионов имени Гельмгольца в Германии, втором после Японии крупнейшем центре ионной терапии, отмечает, что у пациентов с хордомой, раком простаты и прямой кишки без метастазов срок дожития больше по сравнению с теми, кого лечили обычной радиотерапией или протонами.12 января, 08:00НаукаВылечить рак за секунду. Найден способ радикально усилить радиотерапию
Отдаленные риски и перспектива
Ученые все чаще обращают внимание на отдаленные и мало изученные последствия облучения тяжелыми ионами. Наибольшее опасение вызывают новообразования у пролеченных людей.
Установили, что протоны и ядра углерода тормозят в пике Брегга и дальше него не проникают, однако у них есть хвост из вторичных частиц. «Это возбужденные атомы, радикалы, ионы, отрицательно заряженные ионы-анионы, электроны, а также частицы, образованные в ходе ядерных реакций», — перечисляет Евгений Сыресин.
Углеродный хвост оставляет за пиком Брегга около десяти процентов исходной дозы. Для сравнения, у ионов неона — до 30 процентов, поэтому такие тяжелые частицы не используют в радиотерапии. На протонном хвосте — один-два процента. «Из-за этого протоны более эффективны, чем ионы углерода, когда рядом с опухолью находится критический орган, для которого необходим резкий спад дозы, такой как глазной нерв», — приводит пример исследователь.
Что касается образования вторичных опухолей у пролеченных ионами углерода, практика это не подтверждает, утверждает Марко Дюранте. У пациентов с раком простаты риск вторичных злокачественных опухолей ниже, чем после обычной радиотерапии и хирургии.
22 мая, 08:00НаукаГлавный онколог Минздрава рассказал, как не пропустить у себя рак
Несмотря на более чем два десятка лет исследований углеродная, или, как ее еще называют, карбоновая терапия остается экспериментальным методом. В мире его применяют в 13 центрах, большинство из которых расположены в Японии.
В России должно быть порядка десяти таких центров, полагает Евгений Сыресин. «Ионы углерода — несомненно, самая перспективная технология радиотерапии, но при этом и самая дорогая. Стоимость центра, а значит, и курса лечения примерно в 1,5 раза выше, чем для протонной терапии», — уточняет он.
За рубежом речь идет о 40-60 тысячах долларов. «Сколько могло бы быть у нас, пока неизвестно, так как в России технология ионной терапии находится на стадии внедрения», — говорят в МРНЦ.
Впрочем, если углеродную терапию, как и протонную, причислят к высокотехнологичной помощи, это станет шагом вперед.
СТРОЕНИЕ АТОМА УГЛЕРОДА — ВВЕДЕНИЕ
Цели урока. Рассмотреть строение атома углерода и на этой основе повторить Периодическую систему и строение атома: физический смысл номера элемента, номера периода, номера группы, распределение электронов в атоме по уровням и орбиталям. Дать понятие о нормальном и возбужденном состояниях атома углерода и на этой основе охарактеризовать его четырехвалентность.
Оборудование: воздушные шары продолговатой (3 штуки) и округлой (2 штуки) формы.
I. Электронное строение атома углерода
Изучение материала в курсе химии 9 класса начиналось с формирования у учащихся умения характеризовать свойства элемента по его положению в Периодической системе. Этот дедуктивный подход (от общего к частному) закреплялся в неорганической химии при изучении свойств элементов главных подгрупп. У ребят уже сформировалось представление о значении Периодического закона не только для классификации элементов, но и для предсказания свойств образованных ими веществ на основании строения атома. В 10 классе происходит своеобразная «передача эстафеты» от одного великого обобщения другому: от Периодического закона к теории строения органических веществ А. М. Бутлерова. Поэтому учитель, в очередной раз подчеркивая значение работ Д. И. Менделеева в химии, при самом непосредственном участии ребят проверяет «выживаемость» их знаний в области строения атома и его влияния на свойства элемента.
Беседа проходит в форме беседы. На свой короткий вопрос учитель должен получить не менее лаконичный и обоснованный ответ, при необходимости конкретизировать или уточнить его. Вопросы учителя могут быть такого плана (на первые два—три вопроса учитель оформляет ответ так, чтобы ребята поняли, что от них требуется).
1. Каков заряд ядра атома углерода? (Заряд ядра атома углерода равен плюс шести, поскольку этот элемент в Периодической системе Д. И. Менделеева имеет порядковый номер 6.)
2. Каково число протонов в ядре атома углерода? (Число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента, то есть шести.)
3. Сколько нейтронов содержится в ядре изотопа углерода 12С? (Число нейтронов равно разности между массовым числом атома и числом протонов в ядре, то есть 12 — 6 = 6.)
4. Сколько электронов в атоме углерода?
5. Сколько энергетических уровней в атоме углерода?
6. Каково число электронов на внешнем электронном уровне?
7. Изобразите общую электронную формулу атома углерода?
8. Что такое орбиталь?
9. Какие формы электронных орбиталей вы знаете?
10. Какие орбитали и сколько их составляют внешний электронный уровень углерода?
11. Как записать квантовые диаграммы атома углерода в основном и возбужденном состояниях? Каково число неспаренных электронов в том и другом случае?
Перед тем как перейти к вопросу о механизме образования ковалентной связи, учитель с помощью воздушных шаров демонстрирует формы s- и р-рбиталей. Если s-орбиталь вполне наглядно изображает шарик округлой формы, то для «изготовления» объемной восьмерки понадобится шар продолговатый. Его несильно надувают, сжимают посредине пальцами, сжатыми в кольцо, и несколько раз поворачивают одно из образующихся облаков. С помощью трех шаров можно изобразить взаимно перпендикулярное расположение осей трех р-орбиталей, скрепив их за узлы.
II. Образование и типы ковалентных связей по способу перекрывания орбиталей
Учитель напоминает, что движущей силой образования химических связей между атомами является их стремление завершить внешний электронный уровень до устойчивой оболочки благородного газа (для водорода это два электрона, для углерода — восемь). Одним из возможных путей такого процесса является обобществление электронов. Два атома предоставляют друг другу «в пользование» свои электроны, образуя ковалентную связь. Как же происходит обобществление электронов?
При сближении двух атомов (например, водорода) друг с другом их s-орбитали начинают перекрываться. В месте перекрывания возникает избыточная электронная плотность, т. е. участок пространства, где вероятность встретить электрон увеличивается. Условно считают, что между атомами образуется общая электронная пара. Дальнейшее сближение атомов невозможно по причине взаимного отталкивания одноименно заряженных ядер и глубже расположенных электронных слоев (например, для атомов углерода). Но и для разрыва образовавшейся связи требуется затратить некоторое количество энергии — тем большее, чем прочнее связь. Эта энергия в расчете на 1 моль вещества называется энергией связи и измеряется в кДж/моль.
С помощью тех же шаров учитель демонстрирует образование ковалентной полярной связи за счет перекрывания двух s-орбиталей, s- и p-орбиталей. Если шарики достаточно прозрачны, площадь их соприкосновения имеет более темную окраску, что создает иллюзию повышенной электронной плотности. Сильно приблизить шарики друг к другу не удается: возрастают силы отталкивания. Слегка надавливая на шары, учитель показывает, как атомы колеблются относительно положения равновесия. Равновесное расстояние между центрами ядер двух атомов называется длиной химической связи.
Теперь в руках учителя две «p-орбитали». Если предположить, что на каждой из них располагается по одному неспаренному электрону, могут ли они образовать ковалентную связь? Да, для этого орбитали должны перекрываться. Каким образом? В случае двух s-орбиталей такого вопроса (благодаря их высокосимметричной геометрической форме) не возникало. Первый вариант перекрывания очевиден: оси двух p-орбиталей совпадают — расположены вдоль одной прямой. Второй способ перекрывания необычен: оси орбиталей параллельны, возникает не одна, а две области перекрывания. Нетрудно догадаться, что свойства образующихся химических связей в том и другом случае будут различны. Если электронная плотность ковалентной связи расположена на линии, соединяющей центры ядер двух атомов, то это — G-связь. Если же электронная плотность лежит вне этой линии, то по механизму перекрывания это π-связь.
Можно ли отнести ковалентные связи образованные s—s- и s—р-орбиталями к σ- или π-типу? Учитель просит ребят применить использовать при ответе на этот вопрос только что данные определения. Получается, что указанные связи относятся к σ-типу, и это действительно так.
Для закрепления пройденного материала учитель предлагает (дома или на уроке) учащимся выполнить следующие задания.
Задание 1
При образовании ковалентных связей атомы водорода и углерода стремятся завершить свои внешние электронные уровни до оболочки благородных газов. Каких? Сколько электронов на внешнем уровне у атомов этих благородных газов?
Задание 2
Длины связи в молекулах Н2, F2, Сl2, Вr2, равны соответственно 0,074 нм; 0,142 нм; 0,200 нм; 0,228 нм. С чем связано возрастание длины связи в этом ряду?
Задание 3
Орбитали какого типа перекрываются при образовании связей Н—Cl, Н—Н, Cl—Сl? Какие из этих связей полярны, а какие неполярны?
Атомная структура
Атомная структура
Атомная структура
Вся материя состоит из основных строительных блоков, называемых атомов .
Атомы состоят из еще более мелких частиц, называемых протонами ,
электронов и нейтронов . Протоны и нейтроны
живут в ядре атома и практически идентичны по массе. Тем не мение,
протоны имеют положительный заряд, тогда как нейтроны не имеют заряда.Электроны
имеют отрицательный заряд и вращаются вокруг ядра в оболочках или электронов
орбитали и намного менее массивны, чем другие частицы. С
электроны в 1836 раз менее массивны, чем протоны или нейтроны, большинство из них
масса атома находится в ядре, которое составляет лишь 1/100 000 размера атома.
весь атом (!).
Организация атома водорода показана ниже:
Атом водорода
Красная точка — это протон в ядре.Имеет положительный
заряд +1 ед. Синяя точка — электрон. Имеет отрицательный
заряд -1 ед. Для любого нормального атома количество электронов и
протоны равны, что означает, что электрический заряд уравновешен. Там
это только одна орбиталь для водорода. Давайте посмотрим на атом углерода большего размера.
Атом углерода
В ядре появилась новая частица — нейтрон.
(представлен белыми точками). В ядре также 6 протонов,
всего 12 частиц.Кроме того, теперь есть 6 электронов.
вращается вокруг ядра по двум орбиталям. Причина, по которой атом углерода нуждается в
Вторая орбиталь сложна и выходит за рамки этого геологического класса.
Но правила, управляющие атомами, гласят, что первая орбиталь может иметь только две
электронов, на второй орбитали разрешено восемь электронов, на третьей — только
восемь электронов и т. д. (См. стр. 27 вашего текста с номерами
электронов на каждой орбитали для первых 20 элементов.)
В природе 91 элемент.Атомы — это самые маленькие из возможных элементов, и на самом деле слово
«атом» происходит от греческого слова «томос», что означает
«не резать» — то есть вы не можете вырезать меньше, чем это. Мы
обычно представляют элементы их атомным символом. Водород представлен
буквой «H»; углерод буквой «C».
Для атомов изменение числа протонов меняет вид
элемент . Итак, если бы я бросил дополнительный протон в
ядра атома углерода, проиллюстрированного выше, у меня больше не будет углерода — я
будет азот.Точно так же, если бы я убрал протон из углерода
атом, у меня был бы другой элемент, бор. Число протонов в
ядро атома совпадает с атомным номером этого
атом. Если сложить количество протонов и нейтронов, получится атомных
массовое число этого конкретного атома.
Быстрая викторина : Какой атомный номер показан атом водорода
выше? Что это за атомное массовое число? Что такое атомный номер
и массовое атомное число указанного выше атома углерода?
Ответы : атомный номер водорода 1 (посчитайте
протоны).Атомно-массовое число водорода тоже , одно (есть
нет нейтронов!). Для углерода атомный номер 6 , а атомный номер
массовое число 12 (6 протонов плюс 6 нейтронов).
Посмотрите еще раз на изображение атома углерода. Что, если бы мы добавили
нейтрон вместо протона? Будет ли у нас такой же элемент?
Да. Но атом был бы другим. A dding или
вычитание нейтронов из ядра атома создает изотопы этого атома .
Например, давайте добавим два нейтрона к атому углерода, обозначенному зеленым
точки ниже:
Изотоп углерода
Добавление двух нейтронов меняет наш атом. Однако, поскольку
количество протонов то же самое, это все еще углерод, но теперь это изотоп
углерода. Мы представляем изотопы с помощью химического символа
(«C» для углерода) и число. Первый атом углерода только с 6
нейтроны будут называться 12 C или углерод-12. Новый с 8
нейтроны будут 14 C или углерод-14.Обратите внимание, что число
«14» также является атомным массовым числом для этого изотопа.
Химики работали над организацией элементов особым образом, называемым
Периодическая таблица. Он упорядочен так, что элементы в каждом столбце имеют
общие химические и физические свойства. Ниже приведено изображение
Периодическая таблица:
* Изображение с http://www.chemtutor.com/perich.htm
Каждый элемент имеет атомарный символ и атомарный символ.
номер.
Quick Quiz: Напомним, что атомный номер — это
количество протонов в ядре.Сколько протонов в
Атом натрия (Na)? Атом кислорода (O)? Атом урана (U)?
Ответы: Натрий имеет 11 протонов , Кислород 8
протонов и урана 92 протонов.
Продолжить и узнать об ионах.
Вернуться в главное меню.
Вернуться на страницу вводного курса наук о Земле.
(Для получения дополнительной информации по основам химии и атомной структуре,
посетите http://www.chemtutor.com/.)
Углерод (элемент) — факты, открытия, атомная структура и использование
Карбон — невероятный элемент.Расположите атомы углерода в одном порядке, и они станут мягким, податливым графитом. Переложите аранжировку, и — готово! — атомы образуют алмаз, один из самых твердых материалов в мире.
Углерод также является ключевым ингредиентом большей части жизни на Земле; пигмент, которым были сделаны первые татуировки; и основа для технологических чудес, таких как графен, который является более прочным, чем сталь, и более гибким, чем резина, материалом. [См. Периодическую таблицу элементов]
Углерод естественным образом встречается в виде углерода-12, который составляет почти 99 процентов углерода во Вселенной; углерод-13, составляющий около 1 процента; и углерод-14, который составляет ничтожное количество общего углерода, но очень важен при датировании органических объектов.
Только факты
- Атомный номер (число протонов в ядре): 6
- Атомный символ (в Периодической таблице элементов): C
- Атомный вес (средняя масса атома): 12.0107
- Плотность : 2,2670 граммов на кубический сантиметр
- Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
- Точка плавления: 6 422 градуса по Фаренгейту (3550 градусов C)
- Точка кипения: 6872 F (3800 C) (сублимация)
- Количество изотопов: всего 15; два стабильных изотопа, которые представляют собой атомы одного элемента с разным числом нейтронов.
- Наиболее распространенные изотопы: углерод-12 (6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов) и углерод-13 (6 протонов, 7 нейтронов и 6 электронов)
Углерод: от звезд к жизни
В качестве шестого по распространенности По данным Центра астрофизики и суперкомпьютеров Суинберна, углерод образуется в недрах звезд в результате реакции, называемой тройным альфа-процессом.
В старых звездах, которые сожгли большую часть водорода, накапливается остаток гелия.В каждом ядре гелия есть два протона и два нейтрона. При очень высоких температурах — более 100000000 Кельвинов (179 999 540,6 F) — ядра гелия начинают сливаться, сначала в виде пар в нестабильные 4-протонные ядра бериллия, а в конечном итоге, когда возникает достаточное количество ядер бериллия, в бериллий плюс гелий. Конечный результат: атомы с шестью протонами и шестью нейтронами — углерод.
Хотя ученые иногда представляют себе электроны, вращающиеся вокруг ядра атома в определенной оболочке, на самом деле они летают вокруг ядра на различных расстояниях; этот вид атома углерода можно увидеть здесь на двух фигурах электронных облаков (внизу), показывая электроны в одной капле (так называемая s-орбиталь) и в двухлепестковой капле или облаке (p-орбиталь). .(Изображение предоставлено: Physical Review B, DOI: 10.1103 / PhysRevB.80.165404)
Carbon — производитель моделей. Он может соединяться с самим собой, образуя длинные упругие цепи, называемые полимерами. Он также может связываться с четырьмя другими атомами из-за своего электронного расположения. Атомы расположены в виде ядра, окруженного электронным облаком, причем электроны кружатся на разном расстоянии от ядра. По данным Калифорнийского университета в Дэвисе, химики воспринимают эти расстояния как оболочки и определяют свойства атомов по тому, что находится в каждой оболочке.Углерод имеет две электронные оболочки, первая из которых содержит два электрона, а вторая — четыре из восьми возможных пространств. Когда атомы связываются, они разделяют электроны в своей внешней оболочке. Углерод имеет четыре пустых пространства во внешней оболочке, что позволяет ему связываться с четырьмя другими атомами. (Он также может стабильно связываться с меньшим количеством атомов, образуя двойные и тройные связи.)
Другими словами, у углерода есть возможности. И он их использует: было обнаружено около 10 миллионов углеродных соединений, и, по оценкам ученых, углерод является краеугольным камнем для 95 процентов известных соединений, согласно веб-сайту Chemistry Explained.Невероятная способность углерода связываться со многими другими элементами является основной причиной того, что он имеет решающее значение почти для всего живого.
Открытие углерода потеряно для истории. Элемент был известен доисторическим людям в виде древесного угля. По данным Всемирной угольной ассоциации, углерод, как уголь, по-прежнему является основным источником топлива во всем мире, обеспечивая около 30 процентов энергии во всем мире. Уголь также является ключевым компонентом в производстве стали, а графит, другая форма углерода, является обычным промышленным смазочным материалом.
Углерод-14 — радиоактивный изотоп углерода, используемый археологами для датировки объектов и останков. Углерод-14 встречается в атмосфере в естественных условиях. По данным Университета штата Колорадо, растения принимают его в процессе дыхания, в ходе которого они превращают сахара, полученные во время фотосинтеза, обратно в энергию, которую они используют для роста и поддержания других процессов. Животные включают углерод-14 в свое тело, поедая растения или других животных, питающихся растениями. По данным Университета Аризоны, период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет, а это означает, что после этого времени половина углерода-14 в образце распадается.
Поскольку организмы перестают принимать углерод-14 после смерти, ученые могут использовать период полураспада углерода-14 как своего рода часы, чтобы измерить, сколько времени прошло с момента смерти организма. Этот метод работает с некогда живыми организмами, включая предметы из дерева или другого растительного материала.
Кто знал?
- Углерод получил свое название от латинского слова carb , что означает «уголь».
- Алмазы и графит относятся к самым твердым и самым мягким из известных природных материалов соответственно.22) фунтов.
- Двуокись углерода (атом углерода плюс два атома кислорода) составляет около 0,04 процента атмосферы Земли, по данным Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA) — это больше, чем в доиндустриальные времена, из-за сжигания ископаемого топлива.
- Окись углерода (атом углерода плюс один атом кислорода) — это газ без запаха, образующийся при сжигании ископаемого топлива. Окись углерода убивает, связываясь с гемоглобином, соединением, переносящим кислород в крови.Окись углерода связывается с гемоглобином в 210 раз сильнее, чем кислород, связывается с гемоглобином, эффективно вытесняя кислород и удушая ткани, согласно статье 2001 года в журнале Королевского медицинского общества.
- Алмаз, самая яркая версия углерода, образуется под большим давлением глубоко в земной коре. По данным Royal Collection Trust, самым крупным из когда-либо обнаруженных алмазов ювелирного качества был алмаз Куллинан, который был обнаружен в 1905 году. Неограненный алмаз был 3106 штук.75 карат. Самый большой драгоценный камень, вырезанный из камня, весом 530,2 карата, является одной из жемчужин короны Соединенного Королевства и известен как Великая звезда Африки.
- Татуировки ледяного человека Эци, трупа возрастом 5300 лет, найденного в замороженном состоянии в Альпах, были сделаны из углерода, согласно исследованию 2009 года, опубликованному в Journal of Archaeological Science. На коже делали небольшие разрезы и втирали древесный уголь, возможно, как часть лечения иглоукалыванием.
Текущие исследования
Углерод — элемент давно изучаемый, но это не значит, что открывать больше нечего.Фактически, тот же элемент, который наши доисторические предки сжигали в виде древесного угля, может быть ключом к технологическим материалам следующего поколения.
В 1985 году Рик Смолли и Роберт Керл из Университета Райса в Техасе и их коллеги открыли новую форму углерода. По данным Американского химического общества, испаряя графит лазером, ученые создали загадочную новую молекулу, состоящую из чистого углерода. Эта молекула оказалась сферой в форме футбольного мяча, состоящей из 60 атомов углерода. Исследовательская группа назвала свое открытие бакминстерфуллереном в честь архитектора, спроектировавшего геодезические купола.Эта молекула теперь более известна как «бакибол». Обнаружившие его исследователи получили Нобелевскую премию по химии в 1996 году. Согласно исследованию, опубликованному в 2009 году в Журнале химической информации и моделирования, Buckyballs препятствуют распространению ВИЧ; медицинские исследователи работают над прикреплением лекарств, молекула за молекулой, к бакиболам, чтобы доставить лекарство непосредственно к участкам инфекции или опухолям в организме; это включает исследования Колумбийского университета, Университета Райса и других.
С тех пор были открыты другие новые молекулы чистого углерода, названные фуллеренами, в том числе эллиптические «бакьягцы» и углеродные нанотрубки с удивительными проводящими свойствами. Углеродная химия все еще достаточно популярна, чтобы получить Нобелевские премии: в 2010 году исследователи из Японии и США выиграли одну за то, что выяснили, как связать атомы углерода вместе с помощью атомов палладия — метода, который позволяет производить большие и сложные молекулы углерода. в Нобелевский фонд.
Ученые и инженеры работают с этими углеродными наноматериалами, чтобы создавать материалы прямо из научной фантастики. В статье 2010 года в журнале Nano Letters сообщается об изобретении гибких проводящих тканей, погруженных в «чернила» из углеродных нанотрубок, которые можно использовать для хранения энергии, возможно, открывая путь для носимых батарей, солнечных элементов и другой электроники.
Однако, возможно, одна из самых горячих областей исследований углерода сегодня связана с «чудо-материалом» графеном.Графен представляет собой лист углерода толщиной всего в один атом. Это самый прочный из известных материалов, при этом он остается сверхлегким и гибким. И проводит электричество лучше, чем медь.
Массовое производство графена представляет собой проблему, хотя исследователи в апреле 2014 года сообщили, что они могут производить большие количества графена, используя только кухонный блендер. Если ученые смогут выяснить, как легко сделать много графена, этот материал может стать огромным в техническом плане. Представьте себе гибкие, небьющиеся гаджеты, которые к тому же тонкие как бумага.Углерод действительно прошел долгий путь от древесного угля и алмазов.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой крохотную соломоподобную структуру, состоящую из атомов углерода. Эти лампы чрезвычайно полезны в большом количестве электронных, магнитных и механических технологий. Диаметр этих трубок настолько мал, что измеряется нанометрами. Нанометр равен одной миллиардной метра — примерно в 10 000 раз меньше человеческого волоса.
Углеродные нанотрубки, по крайней мере, в 100 раз прочнее стали, но только в шесть раз тяжелее, поэтому, согласно данным nanoScience Instruments, они могут повысить прочность практически любого материала.Они также лучше, чем медь, проводят электричество и тепло.
Нанотехнологии применяются для превращения морской воды в питьевую. В новом исследовании ученые Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) разработали процесс получения углеродных нанотрубок, который позволяет извлекать соль из морской воды гораздо эффективнее, чем традиционные технологии.
Например, традиционные процессы опреснения закачивают морскую воду под высоким давлением, направляя ее через мембраны обратного осмоса.Эти мембраны затем задерживают все крупные частицы, включая соли, позволяя проходить только чистой воде. Однако, по данным LLNL, эти опреснительные установки очень дороги и могут обрабатывать только около 10 процентов потребности округа в воде.
В исследовании нанотрубок ученые имитировали структуру биологических мембран: по сути, это матрица с порами внутри мембраны. Они использовали особенно маленькие нанотрубки — более чем в 50 000 раз тоньше человеческого волоса.Эти крошечные нанотрубки пропускают очень сильный поток воды, но они настолько узкие, что только одна молекула воды может проходить через трубку за раз. И самое главное, ионы соли слишком велики, чтобы пройти через трубку.
Исследователи считают, что новое открытие имеет важное значение для следующего поколения как процессов очистки воды, так и высокопроницаемых мембранных технологий.
Дополнительный отчет от Трейси Педерсен, сотрудника Live Science.
Следуйте за Стефани Паппас в Twitter и Google+ .Следуйте за нами @livescience , Facebook & Google+ .
Узнайте больше о углероде:
Global Monitoring Laboratory — Carbon Cycle Greenhouse Gases
Технические детали: химия
Состав атома
Атомы, которые являются основной, фундаментальной единицей всей материи, могут сильно отличаться друг от друга. Хотя атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть без использования мощных микроскопов, они состоят из еще более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов.
Электроны, которые являются чрезвычайно легкими отрицательно заряженными частицами, вращаются вокруг центральной массы — ядра атома. Атомы могут приобретать или терять электроны, которые изменяют заряд атома (создавая ионы). Однако атом остается одним и тем же элементом независимо от того, имеет ли он положительный, отрицательный или нейтральный заряд.
Маленькое плотное ядро (или центр) атома содержит другие компоненты — протоны и нейтроны. Протоны — это положительно заряженные частицы, и количество протонов всегда фиксировано для конкретного элемента.Другими словами, количество протонов — это то, что придает каждому элементу его уникальную индивидуальную идентичность. Например, атом углерода имеет шесть протонов, но атом с пятью протонами является бором, а атом с семью протонами является элементом азота.
Нейтроны нейтральны — у них нет заряда. Изотопы — это атомы одного и того же элемента, у которых разное количество нейтронов. Хотя изотопы одного и того же элемента являются близнецами, когда дело доходит до реакционной способности, разное количество нейтронов означает, что они имеют разную массу.Определенных изотопов в одних материалах больше, чем в других, поскольку некоторые физические и химические процессы «предпочитают» один изотоп другому. Эти различия в содержании изотопов используются в качестве «меток» для идентификации различных источников CO 2 , обнаруженных в образце атмосферного CO 2 . Атмосферные ученые NOAA используют эти изотопные метки, чтобы определить, какой процент этого углерода был получен из ископаемого топлива, земной биосферы или океана.
Изотопы углерода
Изотопы углерода бывают трех форм.Безусловно, наиболее распространенным изотопом углерода является углерод-12 ( 12 C), который содержит шесть нейтронов в дополнение к шести протонам. Следующий по тяжести изотоп углерода, углерод-13 ( 13 C), имеет семь нейтронов. И 12 C, и 13 C называются стабильными изотопами, поскольку они не распадаются на другие формы или элементы с течением времени. Редкий изотоп углерода-14 ( 14 C) содержит восемь нейтронов в своем ядре. В отличие от 12 C и 13 C, этот изотоп нестабилен или радиоактивен.Со временем атом 14 C распадется на стабильный продукт.
Подавляющее большинство всего углерода, обнаруженного на Земле, составляет 12 C. Почти 99% всего углерода на Земле имеет эту форму. Хотя только около 1% всего углерода на Земле составляет изотопную форму 13 C, 14 C все еще встречается гораздо реже. Только один из каждого триллиона атомов углерода — это 14 C.
Чтобы получить представление о том, как мало 14 атомов C по сравнению с 12 C, давайте сравним один с одним триллионом.Триллион — это миллион миллионов. Если вы выложите в ряд триллион однодолларовых купюр, он протянется почти от Земли до Солнца!
Атомная структура
Курс геолого-геофизических исследований мистера Панико — Чартерная школа Odyssey — сентябрь 2012 г.
Модель атома и материя
Студенты: вся вселенная состоит из очень маленьких частиц материи, называемых атомами .
Слово атом означает неделимый. Если атом разделен, он больше не может быть признан материей
.Внутри атома находятся субатомных частиц трех типов: протон, нейтроны и электроны.
| Часть 1 — Структура атома — Протоны, нейтроны и электроны |
Протоны, нейтроны и электроны
Протон представляет собой частицу, которая несет положительный электрический заряд и расположена в центре атома. Центр атома называется ядром . Второй тип частиц в ядре называется нейтроном. Нейтроны также расположены в ядре, и эти частицы не имеют электрического заряда и, следовательно, являются нейтральными .
Третий тип субатомных частиц называется электроном , и он намного меньше протона или нейтрона. Электроны вращаются вокруг атома в большой области пространства, окружающей ядро. Электрон имеет отрицательный электрический заряд . Мы знакомы с электронами в том смысле, что электроны текут по проводам как электричество .
Модель атома
Электроны вращаются вокруг ядра на разном расстоянии от ядра, при этом более энергичные электроны движутся дальше по орбите. Если бы мы могли создать точную в масштабе модель атома, мы бы увидели, что ядро очень маленькое, скажем, размером с бейсбольный мяч, а электроны подобны размеру изюма, вращающемуся вокруг бейсбольного мяча с очень большого расстояния. примерно 5 футбольных полей или 1500 футов
Атомы состоят в основном из пустого пространства
Вы можете видеть, что эта модель в истинном масштабе показывает, что существует огромное количество пространства, которое состоит из атомов, и поэтому атом в основном состоит из пространства .
Число протонов определяет тип атома
Первичной субатомной частицей является протон, потому что число протонов внутри атома определяет, какой тип атома это . Например, все атомы, в ядре которых есть 8 протонов, являются атомами кислорода. Все атомы, у которых есть 6 протонов, являются атомами углерода. Лучше сказать, чтобы атом был атомом золота, он должен иметь 79 протонов, не больше и не меньше. Если бы атом мог изменить количество протонов, он стал бы атомом другого типа. (Изменение числа протонов в атоме происходит в природе, и это называется ядерным распадом).
94 известных типа атомов
Во Вселенной есть 94 естественных атома, о которых известно науке. Эти атомы представлены в Периодической таблице. Подробнее об этом позже…
Периодическая таблица
Элементы
Атомы также называются элементами. Элемент — это чистое вещество, состоящее только из одного типа атомов.Поскольку существует 94 типа атомов, существует 94 типа элементов. Железо — это один из видов элементов. Углерод — другое. Так же свинец и золото.
Буквы представляют элементы
Буквы, которые вы видите в периодической таблице, представляют элементы. Ртуть — Hg . Золото — Au . Нержавеющая сталь состоит из нескольких элементов, поэтому она не представлена в периодической таблице. В Периодической таблице присутствуют только чистые элементы, а не смеси нескольких элементов.
Атомный номер = число протонов
Число протонов , которое имеет атом, называется его атомным номером . Атомный номер углерода равен 6, потому что атомы углерода имеют 6 протонов. Атомный номер кислорода равен 8, потому что атомы кислорода имеют в своем ядре 8 протонов. Атомный номер золота 79, потому что атомы золота имеют 79 протонов.
Здесь вы видите медь с атомным номером 29, потому что атомы меди содержат 29 протонов в своем ядре.
Атомы — это чистые химические элементы
Во Вселенной 94 естественных атома, это означает, что существует 94 естественных элемента . Элементы — это вещества, формы материи и газы, которые состоят из только одного типа атома .
По состоянию на май 2011 года было идентифицировано 118 элементов, последним из которых был унунокций в 2002 году. Считается, что из 118 известных элементов только первые 94 встречаются на Земле в естественных условиях. Из этих встречающихся в природе элементов 80 являются стабильными или практически стабильными, в то время как другие радиоактивны, распадаясь на другие, более легкие элементы в различных временных масштабах от часов до миллиардов лет.Дополнительные элементы с более высокими атомными номерами, чем те, которые встречаются в природе, были получены технологически в последние десятилетия как продукты ядерных реакций. |
Когда только один тип атома составляет часть материи, эта материя называется элементом. Если вы держали в руке кусок чистой меди, это означает, что в этом кусочке меди содержатся только атомы меди. Итак, это чистый кусок меди без каких-либо других типов атомов.Удержание большого образца чистого элемента — редкость. Большинство веществ, достаточно больших, чтобы их вместить, будут содержать смешанные с ними другие типы атомов.
Нержавеющая сталь, например, содержит несколько типов атомов, поэтому это не элемент, а смесь элементов.
3 протона и 3 электрона
| Часть 2 — Изотопы и атомная масса |
Число протонов = Число электронов = Нейтральный заряд Атом
Теперь в большинстве атомов число положительных протонов, которые он имеет, такое же, как число отрицательных электронов, которые он имеет.Итак, у атома углерода с 6 протонами должно быть также 6 электронов, чтобы он был нейтральным атомом . Атом алюминия имеет 13 протонов, поэтому у него также должно быть 13 электронов.
Помните, что количество протонов равно количеству электронов в нейтрально заряженных стабильных атомах . (Есть исключение, когда атом является ионом, как это объясняется ниже).
В некоторых атомах количество нейтронов будет отличаться от количества протонов. Этот факт называют изотопами.
В общем, меньшие атомы имеют такое же количество нейтронов, что и протоны, но это не относится ко всем атомам. Например, среди атомов углерода, каждый из которых имеет 6 протонов, большинство атомов углерода будут иметь 6 нейтронов, НО не все будут. У некоторых атомов углерода может быть 8 нейтронов, хотя у большинства — 6 нейтронов.
На этом изображении углерод-13 имеет 7 нейтронов, а углерод-14 — 8
Изотопы относятся к вариациям в количестве нейтронов внутри одного типа атома.
Ссылаясь на тот факт, что атомы любого типа будут иметь некоторые вариации количества нейтронов, которые они содержат, мы называем изотопами .Все атомы углерода должны иметь 6 протонов, чтобы быть атомом углерода. У большинства атомов углерода также будет 6 нейтронов, но у некоторых будет 8 нейтронов. Эти вариации числа нейтронов составляют изотоп углерода . Атом углерода с 6 нейтронами — это изотоп под названием углерод-12 . Атом углерода с 8 нейтронами — это изотоп под названием cabaron-14 . Изотоп Углерод-12 имеет 6 протонов и 6 нейтронов, следовательно, Углерод-12. Изотоп Углерод-14 имеет 6 протонов и 8 нейтронов, отсюда и его название Углерод-14.
19 протонов + 20 нейтронов = атомная масса 39
Атомная масса (атомный вес) — это количество протонов + нейтронов
Еще одно важное понятие для ученых — это атомная масса (также называемая атомной массой ). Атомная масса относится к весу или на самом деле массе атома. Каждая частица в ядре равна одной единице массы. Итак, 12 частиц в ядре атома равны массе 12. Если в ядре атома 6 протонов и 6 нейтронов, то общая масса этого атома = 12.У атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, поэтому его атомная масса = 12 ..
Если в ядре атома 8 протонов и 8 нейтронов, то этот атом имеет атомную массу 16.
Атомная масса атомов просто складывает протоны и нейтроны в его ядре .
Но количество нейтронов различается (изотопы)
Однако в любом типе атома будет некоторое изменение количества нейтронов, так как мы можем объявить точную атомную массу? Ученые просто используют среднее количество нейтронов для любого типа атома при определении атомной массы.Например, углерод имеет в целом 6 протонов, но на самом деле в среднем 6,0107 нейтронов. Таким образом, атомная масса углерода равна 12,0107. , НО ДЛЯ НАШИХ ЦЕЛЕЙ МЫ МОЖЕМ ОКРУГНУТЬ АТОМНУЮ МАССУ ДО 12.
Кислород состоит из 8 протонов и 8 электронов. Хотя большинство атомов кислорода имеют 8 нейтронов, у некоторых может быть меньше, поэтому общее число нейтронов для кислорода составляет в среднем 7,9994. Но для наших целей мы можем просто сказать 8 нейтронов.
Короткое видео по атомам и изотопам:
Пожалуйста, послушайте — Отличное видео об изотопах — 5 минут
Символы в таблице Менделеева
Периодическая таблица — это организованное визуальное представление всей информации о 94 типах атомов (то есть элементов), аккуратно помещенное в таблицу данных.Каждый атом или элемент представлен символом, который дает информацию об атоме.
Здесь вы видите атомный символ в Периодической таблице углерода.
~ Атомный номер 6 (имеет 6 протонов)
~ Символ — C (для углерода, да).
~ Имя Углерод.
~ Средняя атомная масса 12.0107. Атомная масса — это протоны + нейтроны. У большинства атомов углерода 6 нейтронов, но у некоторых их больше. Итак, среднее количество нейтронов составляет 6,0 · 107. Итак, атомная масса 12,0107.Но для наших целей мы можем просто округлить до 12.
Вот несколько периодических таблиц, которые вы можете увидеть в Интернете. Просмотрите эти диаграммы и ознакомьтесь с их информацией.
Простой цвет: http://go.hrw.com/resources/go_sc/periodic/SSHK1PER.PDF
Цвет: http://www.ktf-split.hr/periodni/download/en-color100.pdf
Черный и белый: http://www.ktf-split.hr/periodni/download/en-black.pdf
Подробнее о Периодической таблице (более тяжелые, большие атомы)
Периодическая таблица — это диаграмма, которая показывает возрастающее количество протонов с водородом (H) в верхнем левом углу в качестве первого элемента, потому что он имеет только 1 протон.Затем справа находится гелий (He), поскольку у него 2 протона. Затем вернитесь влево с литием (Li) с 3 протонами и так далее по таблице.
Обратите внимание на более крупные атомы, то есть атомы с большим количеством протонов и нейтронов расположены в нижней части таблицы. Эти «более тяжелые» элементы имеют большую массу , то есть на больше частиц и буквально весят больше . У них также гораздо больше нейтронов, чем протонов. Правило состоит в том, что в целом у атома будет такое же количество нейтронов, как и у протонов, в основном применяется к меньшим атомам в первых 3 строках Периодической таблицы .
Тяжелый элемент бор (Bh) имеет 107 протонов, но его атомная масса равна 264. Итак, 264 — 107 = 157 нейтронов в среднем для атомов бория. Это много нейтронов и делает атом более массивным. Бориум и другие более тяжелые атомы определенно содержат больше нейтронов в ядре, чем протонов.
| Часть 3 — Материя, ионная и ковалентная связь (молекула и решетка) |
Дело
Когда одни и те же типы атомов объединяются, чтобы образовать вещество, материя называется элементом, потому что состоит только из одного типа атомов.Но разные элементы могут объединяться вместе, образуя соединения.
Соединения
Соединения — это вещества, которые образованы двумя или более типами элементов (атомов), которые объединяются для создания совершенно нового вещества, чем элементы, которые его составляют. Например, элемент хлор (Cl) может объединиться с элементом натрия (Na), и тогда будет создано новое вещество, поваренная соль (NaCl). Элемент кислород (газ) может соединиться с элементом водород (также газ), и тогда будет создано новое вещество — вода (h3O, жидкость).
Два типа связи атомов: ионная и ковалентная
Когда различные типы атомов объединяются (то есть связываются друг с другом), чтобы создать новое вещество, существует два типа связи атомов. Одна называется ионной связью , а другая — ковалентной связью .
Ковалентное связывание для воды; Внешние оболочки разделяют электроны
Ионная связь
Ионная связь — это положительные и отрицательные электрические заряды, притягивающие друг друга (аналогично тому, как северный и южный концы магнита притягивают друг друга).
Ковалентная связь
Ковалентная связь — это самая внешняя оболочка электронов, разделяемая между другими атомами, внешними оболочками электронов. Молекулы воды являются примером ковалентной связи.
| Помните, ~ Ионная связь — это положительные и отрицательные ионы, притягивающие друг друга (как магниты). ~ Ковалентная связь — это две или более молекул, разделяющих одни и те же электроны. |
Ионы — это атомы, которые приобрели или потеряли электроны
Ион — это атом, который потерял или приобрел электроны, так что он больше не является нейтрально заряженным атомом.Например, атом кислорода может получить электрон и стать отрицательно заряженным атомом кислорода, потому что теперь у него на один отрицательный электрон больше, чем положительных протонов.
Или, если атом кислорода теряет электрон, он становится положительно заряженным ионом, потому что у него больше положительных протонов, чем отрицательных электронов.
Примеры молекул, образованных разными атомами
Молекулы
Молекулы — это группы атомов, связанных вместе, чтобы создать новый тип материи (то есть соединение).Молекулы образуются ковалентной связью (разделяя большинство внешних электронов) . Многие, но не все вещества созданы атомами, соединенными в молекулы.
Ионные атомы могут объединяться для создания соединений- (Ионные связи)
Когда атомы приобретают или теряют электрон и, следовательно, становятся положительно или отрицательно заряженными, эти атомы могут притягиваться или связываться друг с другом. Отрицательно заряженные атомы притягиваются к положительно заряженным и наоборот. Таким образом, ионы могут связываться посредством притяжения.Например, отрицательно заряженные ионы хлора, притянутые к положительно заряженным ионам натрия, объединятся в поваренную соль.
Ионная связь создает решетку (а не молекулы). Минералы имеют решетчатую структуру .
Ионная связь образует не молекулы, а скорее минеральное вещество.
Ковалентная связь образует молекулы. Ионная связь образует минералы. Минералы представляют собой комбинацию
различных типов элементов, которые связываются посредством положительно-отрицательного притяжения, а не путем образования молекул.
Структура решетки (также называемая матрицей), но не молекулы
Структура ионной связи называется решеткой или матрицей . Это повторяющаяся структура атомов, из которых состоят вещества. Ковалентное связывание формирует повторяющиеся молекулы, но ионное связывание формирует повторяющиеся решетчатые матрицы. В обоих случаях у вас есть много разных типов веществ, которые создаются связанными вместе атомами.
Смеси
Смесь веществ, без химической связи
Смеси (физические твердые частицы)
Когда различные соединения смешиваются вместе, получается смесь.Например, если вы взяли пакет соли и смешали его с пакетом перца, у вас получилась бы смесь соли и перца. Важным моментом здесь является то, что соль остается солью, а перец остается перцем, и никаких химических связей не происходит. Два типа веществ, соль и перец, просто смешиваются вместе, вот и все. Их можно было разделить.
Растворы — это частицы в жидкостях
В воде частицы могут быть очень маленькими; раствор
Растворы (частицы в жидкости)
Раствор — это раствор, примешанный к воде определенного типа вещества.Поскольку вода хорошо растворяет вещество, вещество в конечном итоге распадается на крошечные кусочки, которые не видны глазом. Эти крошечные кусочки подвешены в воде и могут быть невидимыми или могут придавать воде цвет.
Например, если вы взяли сахар, налили немного сахара в банку с водой и перемешали воду, в конце концов, казалось бы, частицы сахара исчезнут, но, конечно, этого не произошло. Вместо этого сахар просто растворился в такие маленькие кусочки, что вы больше не можете их видеть.Пейте воду, она будет сладкой с сахаром. Это называется решением .
Четыре состояния материи
Вся материя обычно существует в 3 состояниях, хотя технически существует 4-е состояние материи:
твердое, жидкое, газообразное и плазменное . Вода — прекрасный пример трех состояний материи.
Вода, например, может быть льдом, , твердым телом, или водой, , жидкостью или паром в воздухе , который находится в газообразном состоянии.
Твердые тела состоят из близко расположенных молекул, которые удерживают материю в твердом состоянии.У жидкостей есть молекулы, которые расположены дальше друг от друга и обладают большей энергией и, следовательно, более гибкими или текучими по свойствам. У газа есть молекулы, которые находятся далеко друг от друга и обладают еще большей энергией, поэтому он не имеет определенной формы и может расширяться в атмосферу.
Плазма — это настолько горячий газ, что атомы теряют часть своих электронов, которые перемещаются свободно и отделяются от атомов. Этот тип материи существует в звездах в космосе и на Земле в молниях и в лабораториях.
Углерод как строительный блок жизни
ПРОФЕССОР ДЕЙВ: Привет, это профессор Дэйв. Поговорим о углероде.
[ТЕМАТИЧЕСКАЯ ПЕСНЯ] Он много знает о науке. Объясняет профессор Дэйв.
ПРОФЕССОР ДЕЙВ: Возможно, вы слышали, что углерод — это элемент жизни. Но что это значит? Что определяет наличие атома углерода в первую очередь? Атом состоит из положительно заряженных протонов, нейтронов, которые не имеют заряда, и отрицательно заряженных электронов.А элемент определяется количеством протонов в ядре. Один протон — водород, два — гелий, три — литий, четыре — бериллий, пять — бор и шесть — углерод.
Количество нейтронов и электронов может меняться. Но по определению любой атом с шестью протонами является атомом углерода. Как они образуются? Водород, самый простой и самый распространенный из всех элементов, под действием силы тяжести накапливается в сгустки, которые становятся звездами. Огромное внутреннее давление запускает ядерный синтез, когда протоны и нейтроны сталкиваются и сливаются.Многие элементы, в том числе углерод, и более крупные элементы, такие как железо, состоят из звезд. Намного более крупные требуют огромной энергии взрыва сверхновой звезды или ускорителей частиц здесь, на Земле.
Так что же такого особенного в углероде? Посмотрим на электроны. Атомов углерода их шесть. Первые два находятся во внутренней оболочке, а остальные четыре — это так называемые валентные электроны во внешней оболочке. Это те, которые доступны для связывания с другими атомами, что происходит, когда два атома делят два электрона.Поскольку элементы в этой части периодической таблицы хотят иметь восемь электронов во внешней оболочке, углерод имеет тенденцию образовывать четыре связи. Они могут быть одинарными, двойными или тройными связями и содержать множество различных элементов. Кроме того, в то время как атом, связанный с двумя или тремя другими атомами, будет принимать линейную или плоскую форму, атом углерода, связанный с четырьмя другими атомами, будет принимать трехмерную форму, потому что именно так могут быть электронные облака на четырех атомах. как можно дальше друг от друга.
Итак, способность углерода соединяться в самых разных формах с таким количеством элементов, включая сам себя, делает его таким особенным. Кроме того, углерод-углеродные связи достаточно сильны, чтобы быть стабильными, но не настолько сильны, чтобы они не могли разорваться и перестроиться, что делает их отличными строительными блоками. Когда сам по себе углерод имеет множество аллотропов или способов расположения элемента — в вашем карандаше есть графит, состоящий из скользких слоев углерода, которые легко стираются; есть алмаз, самое твердое из известных веществ.И мы даже можем создавать интересные структуры, такие как нанотрубки и фуллерены.
Это просто углерод. В сочетании с водородом, кислородом, азотом и некоторыми другими элементами он образует все разнообразные структуры вашего тела, включая углеводы, белки и ДНК. Мы можем пойти дальше природы и синтезировать новые материалы с множеством целей. Помещение углей в пустые места железной решетки делает ее прочнее. Мы называем это сталью, которая используется в большинстве крупных конструкций, которые мы знаем сегодня.Тефлон, углеродно-фторсодержащий полимер, представляет собой антипригарное вещество, обладающее высокой устойчивостью к химическому разложению. А синтетические препараты на основе углерода, такие как ингибиторы, которые могут заглушить неисправный фермент, имеют шанс вылечить так много болезней.
Это масса причин любить углерод. Это действительно стихия жизни.
Объяснитель: что такое изотоп?
Если вы когда-либо изучали периодическую таблицу элементов (см. Ниже), вы, вероятно, уже знали, что эта таблица многое раскрывает о химических свойствах атомов, составляющих наш мир.
Но вы можете не осознавать, что каждый квадрат в периодической таблице на самом деле представляет собой семейство изотопов — атомов, имеющих одно и то же имя и химические свойства, но разную массу.
Чтобы понять, что такое изотопы и как мы можем их использовать, нам нужно поближе взглянуть на внутреннюю часть атома.
Периодическая таблица элементов.
Цефей / Викимедиа
Строительные блоки из материи
Атом состоит из невероятно плотного ядра (называемого ядром) протонов и нейтронов, окруженного диффузным облаком электронов.
Вы можете думать о протонах и нейтронах как о частицах одного типа с одним ключевым отличием: протоны заряжены положительно, а нейтроны не несут заряда. Это означает, что протоны могут «чувствовать» электрические или магнитные поля, а нейтроны — нет.
Электроны, которые намного легче протонов или нейтронов, несут такую же величину заряда, что и протон, но с противоположным знаком, что означает, что каждый атом, который имеет одинаковое количество протонов и электронов, является электрически нейтральным.
Это электроны, которые определяют химическое поведение конкретного элемента.
Карта нуклидов содержит информацию обо всех известных изотопах. Границы этой карты постоянно расширяются, поскольку новые исследования помогают нам находить способы создания новых изотопов. Элементам присваивается ряд на диаграмме в соответствии с количеством протонов, которые они имеют. Стабильные изотопы показаны черным цветом.
Национальный центр ядерных данных / Wikimedia Commons
Изотопы элемента имеют одинаковое количество протонов, но разное количество нейтронов.Давайте возьмем углерод в качестве примера.
В природе есть три изотопа углерода: углерод-12, углерод-13 и углерод-14. У всех троих по шесть протонов, но их нейтронные числа — 6, 7 и 8 соответственно — все различаются. Это означает, что все три изотопа имеют разные атомные массы (углерод-14 является самым тяжелым), но имеют одинаковый атомный номер (Z = 6).
Химически все три неразличимы, потому что количество электронов в каждом из этих трех изотопов одинаково.
Итак, разные изотопы одного и того же элемента химически идентичны. Но некоторые изотопы могут обойти это правило, полностью преобразовавшись в другой элемент.
Три встречающихся в природе изотопа углерода. Хотя у каждого из них одинаковое количество протонов и электронов, они различаются количеством нейтронов.
Тесса Кумундурос
На пути к стабильности
Эта способность к преобразованию некоторых изотопов связана с тем фактом, что не все изотопы стабильны, и именно это привело Фредерика Содди к открытию изотопов, получившему Нобелевскую премию в 1913 году.
Некоторые изотопы, такие как углерод-12, будут продолжать существовать в виде углерода, если не произойдет чего-то необычного. Другие — скажем, углерод-14 — в какой-то момент распадутся на ближайший стабильный изотоп.
В этом случае один из нейтронов углерода-14 превращается в протон, образуя азот-14. Во время этого процесса, известного как бета-распад, ядро испускает излучение в форме электрона и антинейтрино.
Нейтрон углерода-14 превращается в протон во время бета-распада.Тесса Кумундурос
Есть много факторов, которые могут вызвать распад ядра. Один из наиболее важных — это отношение протонов к нейтронам, которые есть у конкретного ядра. Если в ядре слишком много нейтронов (определение «слишком много» зависит от веса ядра), есть шанс, что оно распадется в сторону стабильности.
То же самое верно, если в ядре слишком много протонов. Это одна из причин, по которой некоторые изотопы данного элемента являются радиоактивными, а другие — нет.
Из живота звезд
К настоящему времени вы, возможно, задаетесь вопросом, как вообще были созданы все эти изотопы. Оказывается, это сложный вопрос, но он придает некоторую правду пословице о том, что все мы сделаны из звездной пыли.
Некоторые из более легких изотопов образовались очень рано в истории Вселенной, во время Большого взрыва. Другие возникают в результате процессов, происходящих внутри звезд, или в результате случайных столкновений высокоэнергетических ядер — известных как космические лучи — в нашей атмосфере.
Большинство естественно существующих изотопов — это конечный (стабильный или долгоживущий) продукт, являющийся результатом долгой серии ядерных реакций и распадов.
В большинстве этих случаев легкие ядра должны были столкнуться вместе с достаточной энергией, чтобы позволить сильному взаимодействию — клееподобной связи, которая образуется, когда протоны и нейтроны подходят достаточно близко, чтобы соприкоснуться, — чтобы преодолеть электромагнитную силу, которая раздвигает протоны. . Если сильная сила побеждает, сталкивающиеся ядра связываются или сливаются, образуя более тяжелое ядро.
Наше солнце — хороший тому пример. Одним из основных источников энергии является серия реакций синтеза и процессов бета-распада, которые превращают водород в гелий.
Изотопы распадаются в сторону того, что иногда называют «долиной стабильности».
Арагу / Викимедиа
Преобразование знаний в инструменты
С начала 1900-х годов, когда впервые стало известно о существовании изотопов, физики-ядерщики и химики искали способы изучить, как изотопы могут образовываться, как они распадаются и как мы могли бы их использовать.
Оказывается, природа изотопов — их химическая однородность, их ядерная уникальность — делает их полезными для широкого спектра применений в таких разнообразных областях, как медицина, археология, сельское хозяйство, производство электроэнергии и горнодобывающая промышленность.
Если вам когда-либо делали ПЭТ-сканирование, значит, вы получили пользу от побочного продукта радиоактивного распада определенных изотопов (часто называемых медицинскими изотопами). Мы производим эти медицинские изотопы, используя наши знания о том, как протекают ядерные реакции, с помощью ядерных реакторов или ускорителей, называемых циклотронами.
Но мы также нашли способы использовать природные радиоактивные изотопы. Например, при датировании по углероду используется долгоживущий изотоп углерод-14 для определения возраста объектов.
В нормальных условиях углерод-14 образуется в нашей атмосфере в результате реакции космических лучей с азотом-14. Его период полураспада составляет примерно 5700 лет, что означает, что половина углерода-14 распадется за этот период времени.
Внутри ускорителя на 15 миллионов вольт Австралийского национального университета.ANU
Пока биологический организм жив, он принимает примерно один изотоп углерода-14 на каждый триллион стабильных изотопов углерода-12, и соотношение углерода-12 к углероду-14 остается примерно таким же, пока жив организм. Как только он умирает, новое поступление углерода прекращается.
Это означает, что соотношение углерода-14 и углерода-12 изменяется в останках этого организма с течением времени.
Если мы извлекаем углерод химическими методами из образца, мы можем применить метод, называемый ускорительной масс-спектрометрией (AMS), для разделения отдельных изотопов углерода по весу.
AMS использует тот факт, что ускоренные частицы с одинаковым зарядом, но разной массой проходят разные пути через магнитные поля. Используя эти отдельные пути, мы можем определять изотопные отношения с невероятной точностью.
Как видно из этих примеров, мы применяем наши знания об изотопах по-разному. Мы производим их, обнаруживаем, извлекаем и изучаем их с двойной целью: понять, почему атомное ядро ведет себя именно так, и как мы можем использовать его силу в наших интересах.
Глава 7: Атомная структура
Раздел 7-1: Протоны, нейтроны и электроны
Раздел 7-2: Средняя атомная масса
Раздел 7-3: Атомные орбитали и электронные конфигурации
Раздел 7-4: Орбитальные диаграммы
Глава 7 Практические упражнения и контрольные тесты
Раздел 7-1: Протоны, нейтроны и электроны
Мы можем вычислить количество положительно заряженных протонов (p) и нейтральных нейтронов (n) в
центральное ядро атома, а также количество отрицательно заряженных
электроны (e — ), окружающие ядро, если нам дать символ в
следующий формат:
В символе выше:
1. X — это символ элемента.
2. Z — атомный номер элемента в периодической таблице.
и равно количеству протонов.
Обратите внимание, что если Z не указан в символе, мы все равно можем определить
количество протонов из периодической таблицы.
3. A — массовое число, равное количеству протонов плюс
нейтроны в ядре. Обратите внимание, что
если в символе опущены как A, так и Z, мы все равно можем определить число
протонов из периодической таблицы, но мы не можем определить количество
нейтроны.
4. Если оплата не взимается, мы можем
Предположим, что атом нейтрален и, следовательно, что количество протонов и
количество электронов равно.
Если количество протонов и количество электронов не равны,
заряженный вид известен как ион.
Изотопы представляют собой атомы одного и того же элемента, различающиеся количеством
нейтронов, как показано в следующей задаче:
Пример упражнения 7A:
Сколько протонов, нейтронов и
электроны находятся в нейтральных атомах изотопов углерода-12 и углерода-13?
Решение:
Во-первых, мы можем перевести название
каждый изотоп в символ с номером после дефиса в названии изотопа
становится массовым числом A в верхнем левом углу символа:
углерод-12 = 12 С
углерод-13 = 13 C
Поскольку оба являются изотопами углерода,
мы знаем из периодической таблицы, что в каждом есть 6 протонов.Поскольку оба они нейтральны, мы знаем, что
у каждого также есть 6 электронов. В
сумма протонов и нейтронов равна массовому числу 12 в 12 C, поэтому
углерод-12 имеет 12-6 протонов = 6 нейтронов. Сумма протонов и нейтронов равна массовому числу 13.
в 13 C, поэтому углерод-13 имеет 13-6 протонов = 7 нейтронов.
Положительно заряженный ион будет иметь
больше протонов, чем электронов и известен как катион,
в то время как отрицательно заряженный ион будет иметь больше электронов, чем протонов, и
известный как анион, как показано в следующей задаче:
Пример упражнения 7B:
Сколько протонов, нейтронов и
электроны находятся в (а) катионе 204 Pb 2+
и (б) анион 37 Cl —?
Решение:
(а) Мы знаем из таблицы Менделеева
в этом свинце 82 протона.Масса
число 204 — 82 протона = 122 нейтрона. Из заряда мы знаем, что катион
протонов на 2 больше, чем электронов, поэтому протонов 82 — 2 = 80
электроны.
(б) Мы знаем из периодической таблицы
что у хлора 17 протонов. В
массовое число 37 — 17 протонов = 20 нейтронов. По заряду мы знаем, что у аниона есть еще 1 электрон
чем количество протонов, поэтому имеется 17 протонов + 1 = 18 электронов.
Если мы знаем количество протонов,
нейтронов и электронов в атоме или ионе, мы можем вывести символ атома
или ион, как показано в следующей задаче:
Пример упражнения 7C:
Напишите символ, содержащий атомные
число, массовое число и заряд для разновидностей с 16 протонами, 18 нейтронами,
и 18 электронов.
Решение:
Мы знаем из периодической таблицы
что элемент с 16 протонами и, следовательно, с атомным номером 16 является
сера. Массовое число = 16
протонов + 18 нейтронов = 34. Поскольку
электронов на 2 больше, чем протонов, заряд на 2-. Следовательно, символ аниона:
Раздел 7-2: Средняя атомная масса
Единица измерения массы
различных изотопов — это атомная единица массы (а.е.м.).Масса, указанная в периодической таблице
для каждого элемента — это среднее значение масс каждого встречающегося в природе
изотопа, взвешенного с учетом естественного
избыток. Для расчета
среднюю атомную массу элемента, умножим массу первого изотопа на
доля естественных атомов элемента, принадлежащих к первому
изотопов, а затем проделаем то же самое для всех остальных изотопов, после чего мы
сложить вместе все продукты:
средняя атомная масса =
(масса 1) (фракция 1) + (масса
2) (дробь 2) +.. .
Обратите внимание, что если процент натуральный
содержания даны для каждого изотопа, мы должны сначала преобразовать проценты в
дроби в десятичной форме перед использованием приведенного выше уравнения средней атомной массы,
как показано в следующей задаче:
Пример упражнения 7D:
Хлор имеет два естественных
встречающиеся изотопы, хлор-35 и хлор-37. Рассчитайте среднюю атомную массу хлора, используя
информация в таблице ниже:
изотоп | масса | % естественное изобилие |
35 Класс | 34.969 а.е. | 75,76% |
37 Класс | 36.956 а.е.м. | 24,24% |
Решение:
средняя атомная масса =
( 35 Cl
масса) ( 35 фракция Cl) + ( 37 Cl масса) ( 37 Cl
дробь) =
(34.969 а.е.м.) (0,7576) + (36,956 а.е.м.) (0,2424)
= 35,45 а.е.м.
Обратите внимание, что наш расчетный результат
соответствует средней атомной массе, указанной для хлора в периодической таблице.
Раздел 7-3: Атомные орбитали
и электронные конфигурации
Атомная орбиталь — это
трехмерное пространство с ядром в центре, в котором имеется высокий
вероятность найти электрон.
Максимум два электрона могут занимать одну орбиталь, независимо от
размер орбиты. Тип
орбиты можно указать в формате n x , где:
1. n — основной квант
число, по существу указывающее на относительный размер орбитали, с меньшим
целые числа, представляющие меньшие орбитали.
2. x — буква, по существу обозначающая форму орбиты.Например, s означает, что
орбиталь имеет сферическую форму, а p указывает на то, что орбиталь имеет гантель
форма:
Есть еще d и f
орбитали.
Для n = 1 существует только один
Доступны орбитали, обозначенные 1, которые могут вместить до 2 электронов, как и любые другие s-орбитали.
Для n = 2 существует орбиталь 2s.
доступны, которые могут вместить до 2 электронов.Также есть три отдельных 2p-орбитали
ориентированы под прямым углом друг к другу, каждая из которых может вместить до 2
электроны. Следовательно, набор
три 2p-орбитали могут вместить максимум 6
электронов, как и любой другой набор из трех p-орбиталей.
Для n = 3, в дополнение к одной тройке
орбитальный и три 3p-орбитальных, есть пять отдельных
3D-орбитали, на каждой из которых могут разместиться до 2-х
электроны. Следовательно, набор
пять трехмерных орбиталей могут вместить максимум 10
электронов, как и в случае любых других наборов из пяти d-орбиталей.
Согласно принципу Aufbau (или наращиванию) электроны добавляются к
атомные орбитали вне ядра в
следующий заказ:
1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d 4p 5s 4d 5p 6s. . .
Обратите внимание, что в приведенном выше порядке
продолжаются более 6 секунд и в конечном итоге будут включать f-орбитали
если продлен.
Электронная конфигурация описывает распределение электронов
среди атомных орбиталей в указанном выше порядке, используя
надстрочные индексы для обозначения общего количества электронов в каждом наборе орбиталей, как показано в следующей задаче:
Пример упражнения 7E:
Запишите полный электрон
конфигурация для цезия (а) и сурьмы (б).
Решение:
Мы добавим максимум 2
электронов для каждой s-орбитали, максимум 6 электронов для каждой
различный набор p-орбиталей, и максимум 10
электронов для каждого другого набора d-орбиталей до тех пор, пока
у нас больше нет электронов, чтобы добавить.
(a) Cs имеет 55 электронов, поэтому
электронная конфигурация:
1с 2
2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
4p 6 5s 2 4d 10 5p 6 6s 1
(б) Сб
имеет 51 электрон, поэтому электронная конфигурация:
1с 2
2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10
4p 6 5s 2 4d 10 5p 3
Обратите внимание, что электрон
конфигурации для некоторых элементов являются исключениями и не будут точно соответствовать
процесс выше.
Для некоторых наших целей мы будем
нужно только знать распределение электронов, которые занимают большие орбитали в атоме и, следовательно, имеют тенденцию быть более
далеко от ядра. В этих
случаях, мы можем записать так называемый сокращенно благородный газ электрон
конфигурации, которые фокусируются только на самых удаленных электронах. (Благородные газы — это элементы в
Крайняя правая группа 18 в периодической таблице.) Чтобы записать сокращенное обозначение благородный газ
электронную конфигурацию элемента, сделаем следующее:
1.Представьте внутренние электроны в
атом, написав символ благородного газа в конце предыдущей строки
в скобках. Например, для Cs
мы бы написали ядро благородного газа [Xe], чтобы представить
первые 54 электрона в атоме, а для Sb мы
запишет ядро благородного газа [Kr], чтобы представить первые 36 электронов в
атом.
2. Для оставшихся электронов продолжаем
электронная конфигурация, начиная с орбитали n s, где n равно
номер строки вашего элемента.
Например, Cs находится в строке 6 сверху, поэтому мы продолжим после
ядро благородного газа с орбиталью 6s, тогда как Sb находится в
ряд 5 сверху, поэтому мы продолжим после ядра благородного газа с 5s
орбитальный. Cs имеет 55-54 = 1
оставшийся электрон, поэтому сокращенная электронная конфигурация благородного газа будет [Xe] 6s 1 .
Sb имеет 51-36 = 15 оставшихся электронов, поэтому
сокращенная конфигурация электронов благородных газов будет [Kr] 5s 2 4d 10
5п 3 .
Валентные электроны — электроны на атомных орбиталях.
с наибольшим значением n .С
валентные электроны находятся за пределами ядра благородного газа, мы можем использовать сокращение
конфигурация электронов благородных газов для определения количества валентных электронов
в атоме. Например, Sb: [Kr] 5 s 2 4d 10 5 p 3
имеет 2 + 3 = 5 валентных электронов на орбиталях с
максимальное значение n = 5.
Для определения электрона
конфигурации аниона, начните с записи электронной конфигурации
нейтральный атом, а затем добавьте соответствующее количество дополнительных электронов.
Для определения электрона
конфигурации катиона, начните с написания
электронной конфигурации нейтрального атома, а затем удалите соответствующий
количество электронов в следующем порядке:
1. валентные p-электроны
2. валентные электроны
3. d-электроны вне ядра благородного газа
Пример упражнения 7F:
Сокращение благородного газа
электронная конфигурация для:
(а) П 3-
(б) Ge 2+ и Ge 4+
(c) Co 2+ и Co 3+
Решение:
(а) P = 15 e —
: [Ne] 3s 2 3p 3
P 3- = 18 e-: [Ne] 3s 2
3п 6
(б) Ge =
32 e — : [Ar] 4 s 2 3d 10 4 p 2
удалить два
валентные 4p-электроны, поэтому Ge 2+ = 30 e — : [Ar] 4 s 2
3д 10
затем удалите два
валентность 4s электронов, поэтому Ge 4+ = 28 e — : [Ar] 3d 10
(в) Co = 27 e —
: [Ar]
4 с 2 3d 7
удалить два
валентные 4s электроны, так как валентных p-электронов нет, поэтому Co 2+
= 25 e –: [Ar] 3d 7
затем удалите один
3-й электрон вне ядра благородного газа, поэтому Co 3+ = 24 e —
: [Ar]
3д 6
Раздел 7-4: Орбитальные диаграммы
На орбитальной диаграмме прямоугольники используются для обозначения
каждая отдельная атомная орбиталь вне ядра благородного газа.Орбиталь s представлена одним прямоугольником,
набор из трех p орбиталей представлен тремя смежными прямоугольниками, а набор
пять d-орбиталей представлены пятью смежными прямоугольниками. Каждый прямоугольник, представляющий орбиталь, может быть
заняты 0, 1 или 2 электронами. Каждый отдельный электрон представлен стрелкой в соответствии с
следующий:
1. Принцип исключения Паули по существу утверждает, что два электрона
занимающие одну и ту же орбиталь, должны иметь противоположные вращения.Следовательно, пара электронов на одной орбитали должна быть
представлен в виде одной стрелки вверх и одной стрелки вниз:
2. Правило Хунда по существу гласит, что электроны занимают отдельные
p или d орбитали, если возможно, чтобы достичь наибольшего числа
неспаренные электроны с параллельными (одинаковыми) спинами. Например, если электронная конфигурация заканчивается на n p 3 ,
три электрона распространятся и займут три отдельных p-орбитали, чтобы достичь
три неспаренных электрона с параллельными спинами вместо одной пары, один неспаренный
электрон и одна пустая орбиталь:
Правильно:
n p 3
Неправильно:
n p 3
Если электронная конфигурация заканчивается
в n d 6 пять электронов займут пять отдельных d-орбиталей,
но тогда шестой электрон будет спарен с одним из пяти других, чтобы
получить в общей сложности четыре неспаренных электрона с параллельными спинами вместо трех пар
и две пустые орбитали.
Правильно:
n d 6
Неправильно:
↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ |
n d 6
Атом или ион, имеющий неспаренный
электронов считается парамагнитными и
будет притягиваться к магниту.На
с другой стороны, атом или ион, не имеющие неспаренных электронов, называются диамагнитными и не будут притягиваться.
к магниту.
Пример упражнения 7G:
Для каждого из следующих напишите
орбитальной диаграмме, определить количество неспаренных электронов и состояние
является ли атом или ион парамагнитным или диамагнитным:
(а) олово
(б) калий
(в) Mn 3+
Решение:
(а) Sn = 50 e — :
[Kr] 5s 2 4d 10
5п 2
↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ | ↑ |
2 непарных
электроны, парамагнитные
(b) K = 19 e — : [Ar] 4s 1
1 непарный
электронная, парамагнитная
(в) Mn = 25 e — : [Ar] 4 с 2 3d 5
Mn 3+ = 22 e — : (валентных p-электронов нет, поэтому
сначала удалите два валентных 4s-электрона, а затем один 3d-электрон вне благородного
газовое ядро) [Ar] 3d 4
4 непарных
электроны, парамагнитные
Глава 7 Практические упражнения и контрольные тесты:
7-1) Определить
количество протонов, нейтронов и электронов в:
(а) а
нейтральный атом серебра-109
(б)
анион 15 N 3-
(в) катион 41 K +
7-1)
(а) серебро-109 = 109 Ag: серебро = 47 p , 109 — 47 p = 62
n , нейтральный = 47 e —
(б) азот
= 7 p , 15-7 p = 8 n , 7 p + 3 = 10 e —
(в) калий
= 19 p , 41 — 19 p = 22 n , 19 p — 1 = 18 e —
7-2) Написать
символ, который включает атомный номер, массовое число и заряд вида
с 49 протонами, 64 нейтронами и 46 электронами.
7-2)
49 p = индий, массовое число = 49 p + 64 n = 113, заряд = 49 p — 46 e —
= 3+
катион
символ =
7-3) Магний в природе имеет три
встречающиеся изотопы. Рассчитать
средняя атомная масса магния с использованием информации в таблице ниже:
изотоп | масса | % естественное изобилие |
24 мг | 23.985 а.е. | 78,99% |
25 мг | 24.986 а.е.м. | 10,00% |
26 мг | 25.983 а.е.м. | 11,01% |
7-3)
средняя атомная масса =
( 24 мг
масса) ( 24 мг фракции) + ( 25 мг масса) ( 25 мг
дробь) +
( 26 мг
масса) ( 26 мг фракции) =
(23.985 а.е.м.) (0,7899) + (24,986 а.е.м.) (0,1000)
+ (25,983 а.е.м.) (0,1101) = 24,31 а.е.м.
7-4) Запишите полный электрон
конфигурации и укажите количество валентных электронов для (а) бария и
(б) никель.
7-4) (а) Ba = 56 e — : 1s 2 2s 2 2p 6
3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2
4d 10 5p 6 6 s 2 , 2 валентных электрона
(б) Ni = 28 e — : 1s 2 2s 2 2p 6
3s 2 3p 6 4 s 2 3d 8 , 2 валентности
электроны
7-5) Напишите сокращение благородный газ
электронной конфигурации и укажите количество валентных электронов для (а) брома
и (б) кадмий.
7-5) (а)
Br = 35 e — : [Ar] 4 s 2 3d 10 4 p 5
, 7 валентных электронов
(б) Cd = 48 e — : [Kr] 5 с 2 4d 10
, 2 валентных электрона
7-6) Написать
сокращенная конфигурация электронов благородных газов для:
(а) Те 2-
(б) В + и В 3+
(в) Fe 2+ и Fe 3+
7-6) (а)
Te = 52 e –: [Kr] 5s 2
4д 10 5 пол 4
Те 2-
= 54 e –: [Kr] 5s 2 4d 10 5p 6
(б) In = 49 e —
: [Kr] 5 с 2
4д 10 5 п 1
удалить один
валентность 5p электрона, поэтому In + = 48 e — : [Kr] 5 s 2 4d 10
затем удалите два
валентность 5s электронов, поэтому In 3+ = 46 e — : [Kr] 4d 10
(в) Fe = 26 e —
: [Ar]
4 с 2 3d 6
удалить два
валентных 4s-электронов, поскольку валентных p-электронов нет, поэтому Fe 2+
= 24 e — : [Ar] 3d 6
затем удалите один
3d-электрон вне ядра благородного газа, поэтому Fe 3+ = 23 e —
: [Ar]
3д 5
7-7) Для
каждое из следующего, напишите орбитальную диаграмму, определите количество
неспаренных электронов и указать, является ли атом или ион парамагнитным или
диамагнитный:
(а) селен
(б) О 2-
(в) Ni 2+
7-7) (а) Se = 34 e — :
[Ar] 4s 2 3d 10 4p 4
↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ | ↑ |
2 непарных
электроны, парамагнитные
(b) O = 8 e — : [He] 2s 2 2p 4
O 2- = 10e — : [He] 2s 2 2p 6
↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ |
0 непарных
электроны, диамагнитные
(в) Ni = 28 e — : [Ar] 4 с 2 3d 8
Ni 2+ = 26 e —:
[Ар] 3d 8
↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ ↓ | ↑ | ↑ |
2 непарных
электроны, парамагнитные
Нажмите, чтобы просмотреть викторину 1
Нажмите, чтобы просмотреть викторину 1 ответы
.
