Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Атомы любых веществ являются электрически нейтральными частицами. Атом состоит из ядра и совокупности электронов. Ядро несет положительный заряд, суммарный заряд которого равен сумме зарядов всех электронов атома.

Общие сведения о заряде ядра атома

Заряд ядра атома определяет местоположение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и соответственно химические свойства вещества, состоящего их этих атомов и соединений этих веществ. Величина заряда ядра равна:

где Z - номер элемента в таблице Менделеева, e - величина заряда электрона или .

Элементы с одинаковыми числами Z, но разными атомными массами называют изотопами. Если элементы имеют одинаковые Z, то у них ядро имеет равное число протонов, а если атомные массы различны, то число нейтронов в ядрах этих атомов разное. Так, у водорода имеется два изотопа: дейтерий и тритий.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода. Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

Масса покоя протона () примерно равна:

Подробнее о протоне можно узнать, прочитав раздел «Заряд протона».

Эксперименты по измерению заряда ядра

Первым заряды ядер измерил Мозли в 1913 г. Измерения были косвенными. Ученый определил связь между частотой рентгеновского излучения () и зарядом ядра Z.

где C и B - постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра измерил Чедвик в 1920 г. Он проводил рассеивание - частиц на металлических пленках, по сути, повторяя опыты Резерфорда, которые привели Резерфорда к построению ядерной модели атома.

В этих экспериментах - частицы пропускались через тонкую металлическую фольгу. Резерфорд выяснил, что в большинстве случаев частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на малые углы от первоначального направления движения. Это объясняется тем, что - частицы отклоняются под воздействием электрических сил электронов, которые имеют значительно меньшую массу, чем - частицы. Иногда, довольно редко - частицы отклонялись на углы превышающие 90 o . Этот факт Резерфорд объяснил наличием в атоме заряда, который локализован в малом объеме, и этот заряд связан с массой, которая много больше, чем у - частицы.

Для математического описания результатов своих экспериментов Резерфорд вывел формулу, которая определяет угловое распределение - частиц после их рассеяния атомами. При выводе этой формулы ученый использовал закон Кулона для точечных зарядов и при этом считал, что масса ядра атома много больше, чем масса - частицы. Формулу Резерфорда можно записать как:

где n - количество рассеивающих ядер на единицу площади фольги; N - число - частиц, которые проходят за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярно к направлению потока - частиц; - количество частиц, которые рассеиваются внутри телесного угла - заряд центра рассеяния; - масса - частицы; - угол отклонения - частиц; v - скорость - частицы.

Формулу Резерфорда (3) можно использовать для того, чтобы найти заряд ядра атома (Z), если провести сравнение числа падающих - частиц (N) с числом (dN) частиц рассеянных под углом , то функция будет зависеть только от заряда рассеивающего ядра. Проводя опыты и применяя формулу Резерфорда Чедвик нашел заряды ядер платины, серебра и меди.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пластину из металла облучают - частицами, имеющими большую скорость. Некоторая часть этих частиц при упругом взаимодействии с ядрами атомов металла изменяет направление своего движения на противоположное. Каков заряд ядра атомов металла (q), если минимальное расстояние сближения частицы и ядра равно r. Масса - частицы равна ее скорость v. При решении задачи релятивистскими эффектами можно пренебречь. Частицы считать точечными, ядро неподвижным и точечным.
Решение	Сделаем рисунок. Двигаясь в направлении ядра атома - частица преодолевает силу Кулона, отталкивающую ее от ядра, так как частица и ядро имеют положительные заряды. Кинетическая энергия движущейся - частицы переходит в потенциальную энергию взаимодействия ядра атома металла и - частицы. За основу решения задачи следует принять закон сохранения энергии.: Потенциальную энергию точечных заряженных частиц найдем как: где заряд - частицы равен: , так как и - частиц - это ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов, , так как будем считать, что эксперимент проводят в воздухе. Кинетическая энергия - частицы до соударения с ядром атома равна: В соответствии с (1.1) приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем: Из формулы (1.4) выразим заряд ядра:
Ответ

Заряд ядра () определяет местоположение химического элемента в таблице Д.И. Менделеева. Число Z - это количество протонов в ядре. Кл — заряд протона, который равен по величине заряду электрона.

Еще раз подчеркнем, что заряд ядра определяет количество положительных элементарных зарядов, носителями которых являются протоны. А так как атом является в целом нейтральной системой, то заряд ядра определяет и количество электронов в атоме. А мы помним, что электрон имеет отрицательный элементарный заряд. Электроны в атоме распределяются по энергетическим оболочкам и подоболочкам в зависимости от их количества, следовательно, заряд ядра оказывает существенное влияние на распределение электронов по их состояниям. От количества электронов на последнем энергоуровне зависят химические свойства атома. Получается, заряд ядра определяет химические свойства вещества.

В настоящее время принято обозначать различные химические элементы следующим образом: , где X - символ химического элемента в периодической таблице, который соответствует заряду .

Элементы, у которых равны Z, но разные атомные массы (A) (это означает, что в ядре одинаковое число протонов, но разное количество нейтронов) называют изотопами. Так, водород имеет два изотопа: 1 1 H-водород; 2 1 H-дейтерий; 3 1 H-тритий

Существуют устойчивые и неустойчивые изотопы.

Ядра, обладающие одинаковыми массами, но разными зарядами называются изобарами. Изобары в основном, встречаются среди тяжелых ядер, причем парами или триадами. Например, и .

Первым косвенное измерение заряда ядра сделал Мозли в 1913 г. Он установил связь между частотой характеристического рентгеновского излучения () и зарядом ядра (Z):

где C и B постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра был определен Чедвиком в 1920 г. при исследовании рассеяния ядер атома гелия на металлических пленках.

Состав ядра

Ядро атома водорода ) называется протоном. Масса протона равна:

Ядро состоит из протонов и нейтронов (вместе их называют нуклонами). Нейтрон был открыт в 1932 г. Масса нейтрона очень близка к массе протона. Нейтрон электрического заряда не имеет.

Сумму количества протонов (Z) и числа нейтронов (N) в ядре называют массовым числом A:

Поскольку массы нейтрона и протона очень близкие, каждая из них равна почти атомной единице массы. Масса электронов в атоме много меньше, массы ядра, поэтому считают, что массовое число ядра приблизительно равно относительной атомной массе элемента, если округлить его до целого.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

То, что все предметы состоят из элементарных частиц, предполагали еще ученые Древней Греции. Но ни доказать этот факт, ни опровергнуть в те времена не было никакой возможности. Да и о свойствах атомов в древности могли лишь догадываться, основываясь на собственных наблюдениях за различными веществами.

Доказать, что все вещества состоят из элементарных частиц, удалось лишь в 19-м веке и то косвенно. В это же время физики и химики по всему миру пытались создать единую теорию элементарных частиц, описывающую их строение и объясняющую различные свойства, такие, например, как заряд ядра.

Изучению молекул, атомов и их строения были посвящены труды многих ученых. Физика постепенно перешла в изучение микромира - элементарных частиц, их взаимодействия и свойств. Ученые стали интересоваться, из чего состоит выдвигать гипотезы и пытаться их доказать, хотя бы косвенно.

В результате в качестве базовой теории была принята планетарная предложенная Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором. Согласно этой теории, заряд ядра любого атома положительный, в то время как по его орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, в итоге делая атом электрически нейтральным. Со временем данная теория была многократно подтверждена разного рода экспериментами, начиная с опытов одного из ее соавторов.

Современная ядерная физика считает теорию Резерфорда-Бора фундаментальной, все исследования атомов и их элементов основываются на ней. С другой стороны большинство гипотез, появившихся за последние 150 лет, практически так и не были подтверждены. Получается, что ядерная физика в своем большинстве является теоретической ввиду сверхмалых размеров изучаемых объектов.

Конечно же, в современном мире определить заряд ядра алюминия, например (или любого другого элемента) намного проще, чем в 19-м веке и тем более — в Древней Греции. Но делая новые открытия в данной области, ученые порой приходят к удивительным заключениям. Пытаясь найти решение одной задачи, физика сталкивается с новыми проблемами и парадоксами.

Изначально теория Резерфорда говорит о том, что химические свойства вещества зависят от того, каков заряд ядра его атома и, как следствие, от числа электронов, вращающихся по его орбитам. Современная химия и физика в полной мере подтверждают данную версию. Несмотря на то, что изучение структуры молекул изначально отталкивалось от простейшей модели — атома водорода, заряд ядра которого равен 1, теория в полной мере распространяется на все элементы таблицы Менделеева, включая и полученные искусственным путем в конце прошлого тысячелетия.

Любопытно, что еще задолго до исследований Резерфорда английский химик, врач по образованию Вильям Проут заметил, что удельный вес различных веществ кратен данному показателю водорода. Он тогда предположил, что все иные элементы попросту состоят из водорода на каком-то простейшем уровне. Что, например, частица азота — это 14 таких минимальных частиц, кислорода - 16 и т. д. Если рассматривать данную теорию глобально в современной интерпретации, то в целом она верна.

В основе любой науки лежит что-то маленькое и важное. В биологии это клетка, в языкознании - буква и звук, в инженерии - винтик, в строительстве - пещинка, а для химии и физики самой важное - это атом, его структура.

Данная статья предназначена для лиц старше 18 лет

А вам уже исполнилось 18?

Атом — это та наименьшая частица всего, что нас окружает, которая несет в себе всю необходимую информацию,частица, определяющая характеристики и заряды. Долгое время ученые думали, что она неделима, едина, однако в течение долгих часов, дней, месяцев и годов проводились изучения, исследования и опыты, которые доказали, что атом также имеет свою структуру. Другими словами, этот микроскопический шарик состоит из еще меньших составляющих, которые влияют на величину его ядра, свойства и заряд. Структура же этих частиц такова:

• электроны;
• ядро атома.

Последнее также можно разделить на совсем элементарные части, которые в науке именуют протонами и нейронами, которых насчитывается четкое количество в каждом конкретном случае.

Число протонов, которые есть в ядре, указывает на структуру оболочки, которая состоит из электронов. Эта оболочка же, в свою очередь, вмещает в себя все необходимые свойства определенного материала, вещества либо предмета. Вычислить сумму протонов очень просто — достаточно знать порядковый номер наименьшей части вещества (атома) во всем известной таблице Менделеева. Это значение еще называют атомным числом и обозначают латинской буквой «Z». Важно помнить, что протоны владеют позитивным зарядом, а на письме это значение определяется как +1.

Нейроны — второе составляющее ядра атома. Это элементарная субатомная частица, которая не несет никакого заряда в отличие от электронов или протонов. Нейроны были открыты в 1932 году Дж. Чедвиком, за что он, спустя 3 года, получил Нобелевскую премию. В учебниках и научных трудах их обозначают как латинский символ «n».

Третья составляющая атома — электрон, который находится в монотонном движении вокруг ядра, создавая таким образом облако. Именно эта частица самая легкая из всех известных современной науке, а это значит, что и заряд ее также наименьший.Обозначаетсяэлектрон на письме от −1.

Именно соединение положительных и негативных частиц в структуре, делает атом незаряженной или нейтрально заряженной частицей. Ядро, в сравнении с общим размеров всего атома, очень маленькое, но именно в нем сосредоточен весь вес, что говорит о его высокой плотности.

Как определить заряд ядра атома?

Чтобы определить заряд ядра атома, нужно хорошо разбираться в строении, структуре самого атома и его ядра, понимать основные законы физики и химии, а также иметь на вооружении периодическую таблицу Менделеева для определения атомного числа химического элемента.

1. Знание того, что микроскопическая частица любого вещества имеет в своей структуре ядро и электроны, которые создают возле него оболочку в виде облака. В состав ядра, в свою очередь, входят два вида элементарных неделимых частиц: протоны и нейроны, каждый из которых имеет свои свойства и характеристики. Нейроны не располагают в своем арсенале электронным зарядом. Это означает, что их заряд не равен и не больше или меньше ноля. Протоны, в отличие от своих собратьев, несут положительный заряд. Иными словами, их электрический заряд можно обозначить как +1.
2. Электроны, которые являются неотъемлемой частью каждого атома, также несут в себе определенный вид электрического заряда. Они являются негативно заряженными элементарными частицами, а на письме они определяются как −1.
3. Чтобы вычислить заряд атома, нужны знания о его структуре (мы только что вспомнили необходимые сведения), количестве элементарных частиц в составе. А для того, чтобы узнать суму заряда атома, нужно математическим способом добавить количество одних частиц (протонов) к другим (электронам). Обычно, характеристика атома говорит о том, что он электрон нейтрален. Другими словами значение электронов приравнивается количеству протонов. Итог таков — значение заряда такого атома равен нулю.
4. Важный нюанс: бывают ситуации, когда число позитивно и негативно заряженных элементарных частиц в ядре может не быть равным. Это говорит о том, что атом становиться ионом с положительным или отрицательным зарядом.

Обозначениеядра атома в научной сфере выглядит как Ze. Расшифровать это достаточно просто: Z — это тот номер, который присвоен элементу во всем известной таблице Менделеева, еще его называют порядковым или зарядным числом. И указывает оно на количество протонов в ядре атома, а e — это всего лишь заряд протона.

В современной науке существуют ядра с разным значением зарядов: от 1 до 118.

Еще одно важное понятие, которое нужно знать юным химикам — массовое число. Это понятие указывает на общую суму заряда нуклонов (это те самые мелкие составляющие части ядра атома химического элемента). И найти это число можно, если воспользоваться формулой: A = Z + N где А — искомое массовое число, Z — количество протонов, а N — значение нейтронов в ядре.

Чему равен заряд ядра атома брома?

Чтобы на практике продемонстрировать, как найти заряд атома необходимого элемента (в нашем случае, брома), стоит обратиться к периодической таблице химических элементов и найти там бром. Его порядковыйномер 35. Это означает, что и заряд ядра его равен 35, поскольку он зависит от числа протонов в ядре. А на число протонов указывает номер, под которым стоит химический элемент в великом труде Менделеева.

Приведем еще несколько примеров, чтобы в будущем юным химикам и было проще рассчитать необходимые данные:

• заряд ядра атома натрия (na)равен 11, поскольку именно под этим номером его можно найти в таблице химических элементов.
• заряд ядра фосфора (символическое обозначение которого P) имеет значение 15, ведь именно столько в его ядре протонов;
• сера (с графическим обозначениемS) — соседка по таблице предыдущегоэлемента, поэтому и заряд ядра у нее 16;
• железо (а найти мы его можем в обозначенииFe) стоит под номером 26, что говорит о таком же количестве протонов в его ядре, а значит и заряде атома;
• углерод (он же C) находится под 6 номером периодической таблицы, что и указывает на нужную нам информацию;
• магний имеет атомный номер 12, а в международной символике его знают как Mg;
• хлор в периодической таблице, где он пишетсякак Cl, стоит под 17 номером, поэтому и его атомное число (а именно оно нам нужно) такое же — 17;
• кальций (Ca), который так полезен для юных организмов, находим под номером 20;
• заряд ядра атома азота (с письменным обозначениемN) равняется 7, именно в такой очереди он представлен в таблице Менделеева;
• барий стоит под 56 номером, что и равно его атомной массе;
• химический элемент селен (Se) имеет в своем ядре 34 протона, а это показывает, что именно таким будет заряд ядра его атома;
• серебро (или в письменном обозначенииAg) имеет порядковыйномер и атомную массу 47;
• если же нужно узнать заряд ядра атома лития (Li), то нужно обратиться к началу великого труда Менделеева, где он находится под номером 3;
• аурум или всеми нами любимое золото (Au) имеет атомную массу 79;
• у аргона же это значение равно 18;
• рубидий имеет атомную массу в размере 37, а у стронция она равна 38.

Перечислять все составляющие периодической таблицы Менделеева можно еще очень долго, ведь их (этих составляющих) очень много. Главное, что суть этого явления понятна, а если нужно будет вычислить атомное число калия, кислорода, кремния, цинка, алюминия, водорода, бериллия, бора, фтора, меди, фтора, мышьяка, ртути, неона, марганца, титана, то стоит только обратиться к таблице химических элементов и узнать порядковый номер того или иного вещества.