Субатомная частица. Субатомные частицы Существование субатомных частиц

…бог вначале дал материи форму твёрдых, массивных,

непроницаемых, подвижных частиц таких размеров и фигур

и с такими свойствами и пропорциями в отношении к

пространству, которые более всего подходили бы к той цели,

для которой он создал их.

И. Ньютон

В истории философии и науки можно условно выделить 3 подхода к пониманию устройства природы на микроуровне:

существуют неделимые корпускулы или атомы, мир сводится к фундаментальным “кирпичикам” (Демокрит, Ньютон);

вещество непрерывно и бесконечно дробится на всё меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до неделимого атома (Аристотель);

в ХХ в. возникла концепция, объясняющая мир на основе взаимосвязи всего сущего: частица это не “кирпичик” материи, а процесс, звено или паттерн в целостном Универсуме (В. Гейзенберг, Дж. Чу, Ф. Капра).

Первую “элементарную” частицу открыл в 1897 г. Дж.Дж. Томсон, при исследовании катодных лучей он доказал существование электронов . Из вещества при воздействиях легко освобождается отрицательное электричество, фиксируемое как вспышки света на экране. Частицы отрицательного электричества и были названы электронами. Минимальное количество электричества, равное заряду одного электрона наблюдали при электрическом разряде в разряженном газе. До 70-х гг. ХХ в. проблема внутреннего строения электрона не была решена, всё ещё нет намёка на его внутреннюю структуру (Андерсон 1968; Вайскопф 1977).

Годом раньше А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой соли – испускание альфа-частиц (ядер Не), эти частицы использовал Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 г. Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая N альфа-частицами, он получил изотоп О, и доказал: в состав ядра атома N входит протон 27 (считали предельной частицей).

В 1932 г. Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу – незаряженный нейтрон 28 . Открытию нейтрона, положившему начало новой науке – нейтронной физике , основным свойствам нейтрона, применению нейтронов посвящена книга С.Ф. Шебалина Нейтроны . Следы нейтронов наблюдали в камере Вильсона. Масса протона равна 1836,1 масс электрона, масса нейтрона – 1838,6. В. Гейзенберг, и независимо от него Д.Д. Иваненко, И.Е. Тамм, высказывают гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов: ядро С, например, состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. В нач. 30-х гг. считали: материя состоит из атомов, а атомы из 3 “элементарных” частиц, “строительных кирпичиков”: протонов, нейтронов и электронов (Шебалин 1969; Фолта, Новы 1987; Капра 1994: 66-67).

В том же году Э.О. Лоуренс в Калифорнии построил первый циклотрон (ускоритель “элементарных” частиц). Ускорители частиц – это установки, на которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частиц, движущихся с большими скоростями, достигается высокий уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц, поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии. Если до таких скоростей разогнать монетку, то её энергия будет равна производству энергии на тысячу млн. долларов. Рядом с Женевой построен кольцевой ускоритель с длиной окружности туннеля до 27км. Сегодня для проверки некоторых теорий, например, теории великого объединения всех частиц, нужен ускоритель размером с Солнечную систему (Фолта, Новы 1987: 270-271; Девис 1989: 90-91).

Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон, мюон и мезон). С помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц. В 1932 г. – открыты 3 частицы, в 1947 – 14, в 1955 – 30, 1969 – более 200. Одновременно с экспериментами проводились и теоретические исследования. Частицы часто двигаются со скоростью света,  , необходимо учитывать теорию относительности. Создание общей теории частиц остаётся пока нерешённой задачей физики (Капра 1994: 67).

В 1967 г. появилась гипотеза о существовании тахионов – частиц, скорость движения которых выше скорости света. Были открыты новые “кирпичики” вещества, множество нестабильных, короткоживущих (“резонансы” живут 10 -27 с.) частиц, распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы: резонансы и гипероны, мезоны – возбуждённые состояния других частиц: протона и лептонов. Как и возбуждённый атом Н в различных состояниях, что проявляется как 3 спектральные линии, не является другим атомом (Борн 1967: 127-129).

Оказалось, что частицы не распадаются, а превращаются друг в друга или в энергию квантов поля, переходят в “своё иное”, любая частица может быть составной частью любой другой. Частицы могут “исчезать” в излучение и проявлять волновые свойства. После осуществления первого искусственного превращения, когда ядра Li превратили в ядра Не, возникает атомная, ядерная физика (Борн 1967; Вайскопф 1977: 50).

В 1963 г. М. Гелл-Манн, Дж. Цвейг предложили гипотезу кварков . Все адроны построены из более мелких частиц – кварков 3 типов и их антикварков. Из 3 кварков состоят протон и нейтрон (их ещё называют барионами – тяжёлыми или нуклонами – ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и протоном). Для того чтобы объяснить всё многообразие адронных паттернов физикам пришлось постулировать существование дополнительных кварков. Кварков стало 12: 4 разновидности или аромата (верхний, нижний, странный и очаровательный), каждая из которых может существовать в 3 цветах. Большинство физиков считает кварки подлинно элементарными, не обладающими структурой. Хотя для всех адронов характерны кварковые симметрии, адроны часто ведут себя так, как будто они действительно состоят из точечных компонентов, но до сих пор существует загадка кварков (Девис 1989: 100; Хокинг 1990: 69; Капра 1994: 228, 229).

В соответствии же с бутстрэпной гипотезой природа не может быть сведена к “кирпичикам” материи типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий был согласен Гейзенберг, не веривший в модель кварков (Капра 1996: 43-49).

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы “твёрдого” вещества и виртуальные частицы, переносчики взаимодействий , не имеющие массы “покоя”. Частицы вещества также делятся на две группы: адроны 29 , нуклоны 30 , барионы или тяжёлые частицы и лептоны 31 .

К лептонам относятся электрон, мюон , тау-лептон и 3 типа нейтрино . Сегодня принято считать электрон элементарным, точечным объектом. Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона (Вайскопф 1997: 79; Девис 1989: 93-102; Хокинг 1990: 63; Фейнман, Вайнберг 2000).

В 1931 г. В. Паули предсказал существование нейтральной частицы нейтрино , в 1955 г. в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона с образованием электрона и нейтрона.

Это самая удивительная частица: с БВ нейтрино почти не вступает во взаимодействие с веществом, являясь наилегчайшей из лептонов. Её масса меньше одной десятитысячной массы электрона, но она, возможно, является самой распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его вообще нет (пример существования неодномерных форм). Гамма-квант проходит в свинце 3 м. и взаимодействует с ядром атома свинца, а нейтрино для взаимодействия должна пройти 4·10 13 км. Нейтрино участвует только в слабых взаимодействиях. До сих пор точно не установлено, действительно ли у нейтрино есть масса “покоя”. Есть 3 типа нейтрино: электронное, мюонное и тау.

В 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей обнаружили мюон , нестабильную частицу, распадающуюся на электрон и 2 нейтрино. В конце 70-х открыли самую “тяжёлую” частицу-лептон, тау-лептон (Девис 1989: 93-95).

В 1928 г. П. Дирак предсказал, а в 1932 г. открыли положительно заряженный электрон (позитрон – античастица электрона.): из одного γ-кванта рождаются электрон и позитрон – положительно заряженный электрон. При соударении электрона с позитроном рождаются два гамма-кванта, так как для сохранения нуля при аннигиляции 32 необходимы два фотона, разлетающиеся в разные стороны.

Позже оказалось: все частицы имеют античастицы , взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов энергии. Античастица есть у каждой частицы материи. При соударении частицы и античастицы происходит их аннигиляция, в результате которой выделяется энергия и рождаются другие частицы. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы аннигиляция наполнила Вселенную излучением, и вещества не было (Силк 1982: 123-125; Хокинг 1990: 64, 71-72).

Состояние электронов в атоме определяется при помощи ряда чисел, которые называются квантовыми числами , и обозначают местонахождение и форму орбит:

число (n) – это номер орбиты, определяющий количество энергии, которым должен обладать электрон для того, чтобы находиться на орбите, радиус;

число (ℓ) определяет точную форму электронной волны на орбите;

число (m) называется магнитным и определяет заряд поля, которое окружает электрон;

число (s) , так называемый спин (вращение) определяет скорость и направление вращения электрона, которое определяется формой электронной волны в терминах вероятности существования частицы в определённых точках орбиты.

Поскольку эти характеристики выражаются целыми числами, это означает, что количество вращения электрона увеличивается не постепенно, а скачкообразно – от одной фиксируемой величины к другой. Характеризуются частицы наличием или отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2, –1/2, частицы-переносчики взаимодействий 0, 1 и 2) и Вр жизни (Эрдеи-Груз 1976; Девис 1989: 38-41, 92; Хокинг 1990: 62-63; Капра 1994: 63).

В 1925 г. В. Паули задался вопросом: почему электроны в атоме занимают строго определённое положение (2 на первой орбите, 8 на второй, 32 на четвёртой)? Анализируя спектры, он выявил простой принцип: две одинаковые частицы не могут находиться в одном и том же состоянии , т. е. не могут иметь одинаковые координаты, скорости, квантовые числа. Все частицы вещества подчиняются принципу запрета В. Паули .

Этот принцип подчёркивает чёткую организацию структур, вне которой частицы превратились бы в однородное и плотное желе. Принцип запрета позволил объяснить химические свойства элементов, определяемые электронами внешних незаполненных оболочек, что дало обоснование периодической таблице элементов. Принцип Паули привёл к новым открытиям, пониманию тепло- и электропроводности металлов и полупроводников. С помощью принципа запрета строились электронные оболочки атомов, стала понятна система элементов Менделеева (Дубнищева 1997: 450-452).

Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В. Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила взаимодействия может оказаться любой), частицы-переносчики или виртуальные частицы, не имеющие массы “покоя” и создающие силы между частицами вещества (Хокинг 1990: 64-65).

Субатомные электроны, протоны частицы и нейтроны

Первую современную атомистическую теорию выдвинул Джон Дальтон. Он предположил, что каждый химический элемент состоит из атомов, одинаковых по размерам и массе. Эти частицы предполагались неделимыми и неизменными в ходе химической реакции. Дальтон приписал атомам таких элементов, как водород, кислород, азот и сера, определенные относительные веса (точнее, массы), а также дал каждому элементу определенный символ.

Однако в конце XIX века был сделан рад открытий, показавших, что атом вовсе не является неделимой частицей, а состоит из субатомных частиц. Первое из этих открытий основывалось на изучении лучей, испускаемых отрицательно заряженным электродом. Существование этих катодных лучей было продемонстрировано в 70-х годах XIX века в целом раде экспериментов, которые выполнили Крукс и Гольдштейн. Например, в эксперименте Крукса с турбинкой катодные лучи вращали крохотную турбинку на стеклянной подвеске. В 1895 г. Вильгельм Рентген открыл Х-лучи, названные в дальнейшем рентгеновскими лучами. В следующем году Антуан Анри Беккерель показал, что соль урана самопроизвольно испускает невидимое излучение, подобное рентгеновским лучам; явление было названо радиоактивностью. За свои исследования Рентген и Беккерель были удостоены Нобелевской премии.

Электрон.

Электрон был первой из обнаруженных субатомных частиц. В 1874 г. Дж. Дж. Стоней предположил, что электрический ток представляет собой поток отрицательно заряженных частиц, названных им в 1891 г. электронами. Однако приоритет открытия электрона почти повсеместно признается за Дж. Дж. Томсоном, который определил удельный заряд и относительную массу электрона.

Джозеф Джон Томсон, открывший электрон в 1897 г. Лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г. Его сын, Джордж Паджет Томсон своими исследованиями дифракции электронов при прохождении через золотую фольгу подтвердил теорию Луи де Бройля, согласно которой свободные электроны ведут себя одновременно как волны и как частицы. Дж. Паджет Томсон получил вместе с К. Дэвиссоном Нобелевскую премию по физике в 1937 г. за открытие дифракции электронов на кристаллах.

Рис. 1.1. Прибор Томсона, 1 - катод (-); 2 - анод (+) с отверстием; 3 - вторичные электроды для отклонения катодных лучей; 4 - отклоненное пятно; 5 - неотклоненное пятно; 6 - люминесцентный экран.

Р. Э. Милликен.

Р. С. Малликен.

Иногда из-за сходства фамилий путают Милликена с Малликеном. Оба они лауреаты Нобелевской премии.

Роберт Эндрус Милликен - американский физик, который определил заряд электрона в опытах с капельками масла. В этом эксперименте он создавал электрические заряды на мельчайших капельках масла, воздействуя на них рентгеновскими лучами. Капельки медленно оседали в пространстве между двумя горизонтальными пластинами конденсатора. Массу отдельной капельки можно было определить, измеряя скорость ее падения. Затем пластины конденсатора заряжали, и это приводило к изменению скорости падения заряженных капелек. Измерение скорости капелек позволяло Милликену вычислить находящиеся на них заряды. Хотя заряды на капельках были неодинаковыми, обнаружилось, что все они кратны некоторой величине, которая представляет собой заряд электрона. Милликен получил Нобелевскую премию по физике в 1923 г.

Роберт Сандерсон Малликен - американский химик и физик, награжден Нобелевской премией по химии в 1966 г. за теоретические исследования природы химической связи и молекулярной структуры. В 1920-е годы применил квантовую механику к теоретическому описанию химической связи и интерпретации молекулярных спектров. В частности, ввел представление о молекулярных орбиталях и показал, что электроны могут быть делокализованы на связях, описываемых молекулярными орбиталями (см. гл. 2).

Томсон открыл электрон в результате исследований с катодными лучами. Схематическое изображение разрядной трубки, которой он пользовался для получения катодных лучей, показано на рис. 1.1. Создав в разрядной трубке низкое давление и высокое напряжение (1500 В и выше), Томсон получил катодные лучи, которые образовывали на люминесцентном экране хорошо заметное пятно. Это пятно можно было отклонять в сторону с помощью электрического поля, создаваемого вторичными электродами. Пятно отклонялось в сторону также под действием магнитного поля, направленного перпендикулярно электрическому полю (это не показано на рисунке). Указанные наблюдения привели Томсона к выводу, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, названных электронами. Проводя измерения напряженности магнитного и электрического полей и соответствующего

Рис. 1.2. Каналовые лучи, открытые Гольдштейном. 1 - анод (+); 2 - катод (-) с отверстиями; 3 - вторичный электрод для отклонения каналовых лучей.

отклонения пятна. Томсон смог вычислить отношение заряда к массе для этих частиц. Он установил, что независимо от того, какой газ использовался для наполнения разрядной трубки, значение оставалось неизменным. На этом основании Томсон заключил, что атомы всех элементов содержат электроны.

В 1909 г. Р.Э. Милликен, проводя свои знаменитые эксперименты с капельками масла, определил заряд электрона. В сочетании с найденным Томсоном значением отношения это позволяло вычислить массу электрона. Принятые в настоящее время значения этих величин составляют

Протон.

Второй по очередности открытия субатомных частиц был протон. В 1886 г. Гольдштейн наблюдал положительно заряженные лучи, испускаемые перфорированным катодом. Он назвал их каналовыми лучами (рис. 1.2).

В 1899 г. Резерфорд открыл радиоактивное и -излучение. Приблизительно в то же время Томсон предложил свою модель строения атома, позволяющую объяснить наличие у атома отрицательно и положительно заряженных частей (модель «сливового пудинга», см. ниже).

Эрнест Резерфорд.

Эрнест Резерфорд родился в Новой Зеландии 30 августа 1871 г. В возрасте 27 лет стал профессором физики в Университете Мак-Гилла в канадском городе Монреале и вскоре сделался одним из ведущих специалистов в быстро развивавшейся области исследования радиоактивности. Он открыл несколько радиоактивных элементов и установил наличие двух типов радиоактивного излучения: и -излучение. Вместе с Фредериком Содди он обнаружил, что радиоактивность характеризуется определенным периодом полураспада. В 1907 г. Резерфорд переехал в Англию, где в Манчестерском университете в 1909 г. вместе с Хансом Гейгером еще раз доказал, что -частицы представляют собой двухзарядные ионы гелия. В 1908 г. Резерфорд получил Нобелевскую премию за исследования радиоактивности. В 1910 г. вместе с Гейгером и Марсденом он обнаружил, что -частицы, проходящие через тонкую металлическую фольгу, отклоняются от первоначального направления движения. Это открытие привело Резерфорда в 1911 г. к созданию новой, планетарной, модели строения атома. В 1914 г. он высказал предположение о существовании протона, а в 1920 г. предсказал существование нейтрона. За научные заслуги в 1914 г. Резерфорд по английскому обычаю был возведен в рыцарское достоинство, а в 1921 г. награжден орденом «За заслуги». С 1915 по 1930 г. он был президентом Лондонского королевского общества, а в 1931 г. получил титул пэра. Ои умер 19 октября 1937 г. Резерфорд, несомненно, является одним из самых выдающихся ученых XX века.

Рис. 1.3. Эксперимент Гейгера и Марсдена. а - рассеяние а-частиц после пропускания через листок тонкой золотой фольги. Большинство частиц проходят сквозь фольгу без отклонений, но отдельные частицы рикошетируют обратно, по направлению к источнику; б - согласно предположению Резерфорда, рикошетирующие частицы испытывают столкновение с сердцевиной атома его ядром. Это наблюдение заставило Резерфорда выдвинуть новую модель строения атома.

В 1909 г. Резерфорд показал, что обнаруженное им ранее -излучение обусловлено положительно заряженными атомами гелия. Однако установление истинной природы этих положительных частиц произошло лишь в 1914 г. после знаменитого эксперимента Гейгера и Марсдена.

Ханс Гейгер и Эрнест Марсден были студентами Резерфорда. В 1910 г. они проводили эксперименты, в которых бомбардировали тонкие листки золотой фольги пучком а-частиц (рис. 1.3). Одни а-частицы проходили через фольгу без отклонения (линия А), другие отклонялись от первоначального направления (линия В). Ко всеобщему удивлению, приблизительно 1 из 20 000 частиц отклонялась назад (линия С). «Это было почти столь же невероятно, - рассказывал Резерфорд впоследствии, - как если бы вы стреляли 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а снаряд рикошетом вернулся назад и попал в вас». Из этого эксперимента следовало, что в центре атома находится очень малое положительно заряженное ядро, окруженное относительно удаленными от него легкими отрицательно заряженными электронами.

После этого Резерфорд предсказал существование протона и показал, что его масса более чем в 1800 раз должна превышать массу электрона.

Нейтрон.

Существование нейтрона было предсказано Резерфордом в 1920 г., чтобы объяснить различие между атомной массой и атомным номером (см. ниже). Экспериментально нейтрон был обнаружен в 1932 г. Дж. Чедвиком при изучении результатов

бомбардировки бериллия а-частицами. Бериллий испускал при этом частицы с большой проникающей способностью, которые не отклонялись в электрическом и магнитном полях. Поскольку эти частицы были нейтральными, они получили название нейтронов.

Частицы, из которых состоят атомы, можно представлять себе по-разному - например, в виде круглых пылинок. Они настолько малы, что каждую такую пылинку невозможно рассмотреть в отдельности. Все вещество, которое находится в окружающем мире, состоит из таких частиц. Что же представляют собой те частицы, из которых состоят атомы?

Определение

Субатомная частица является одним из тех «кирпичиков», из которых построен весь окружающий мир. К таким частицам относят протоны и нейтроны, которые входят в состав атомных ядер. Также к этой категории относятся и электроны, вращающиеся вокруг ядер. Иными словами, субатомные частицы в физике - это протоны, нейтроны и электроны. В привычном для человека мире, как правило, не встречается частиц другого рода - живут они необычайно мало. Когда их век заканчивается, происходит их распад на обычные частицы.

Количество же тех субатомных частиц, которые живут относительно недолго, на сегодняшний день исчисляется сотнями. Их число настолько велико, что ученые уже не используют обычных названий для их обозначения. Как и звездам, им нередко присваиваются числовые и буквенные обозначения.

Основные характеристики

К числу самых важных характеристик любой субатомной частицы относят спин, электрический заряд, а также масса. Так как нередко вес частицы оказывается связанным с массой, некоторые из частиц традиционно носят название «тяжелых». Уравнение, которое вывел Эйнштейн (E = mc2), указывает на то, что масса субатомной частицы напрямую зависит от ее энергии и от скорости. Что касается электрического заряда, то он всегда кратен фундаментальной единице. К примеру, если заряд протона равен +1, то заряд электрона составляет -1. Однако некоторые из субатомных частиц, к примеру, фотон или нейтрино, не имеют электрического заряда вообще.

Также важной характеристикой является время жизни частицы. Совсем недавно ученые были уверены, что электроны, фотоны, а также нейтрино и протоны совершенно стабильны, и их время жизни практически бесконечно. Однако это не совсем так. Нейтрон, к примеру, остается стабильным только до того времени, пока он не «освобождается» из ядра атома. После этого время его жизни в среднем составляет 15 минут. Все нестабильные частицы претерпевают процесс квантового распада, который никогда не может быть полностью предсказуемым.

Исследования частиц

Атом считался неделимым - до тех пор, пока не было открыто его строение. Приблизительно столетие назад Резерфорд произвел свои знаменитые опыты, заключавшиеся в бомбардировании тонкого листа Выяснилось, что атомы вещества являются практически пустыми. А в центре атома находится все то, что мы называем ядром атома - оно приблизительно в тысячу раз меньше самого атома. На тот момент ученые считали, что атом состоит из двух типов частиц - ядра и электронов.

Со временем у ученых возник вопрос: почему протон, электрон и позитрон держатся вместе, и не распадаются в разные стороны под воздействием кулоновских сил? А также для ученых того времени оставалось неясным: если эти частицы являются элементарными, то с ними ничего не может произойти, и они должны жить вечно.

С развитием квантовой физики исследователи выяснили, что нейтрон подвержен распаду, и при этом достаточно быстрому. Он распадается на протон, электрон и еще нечто, что невозможно было уловить. Последнее было замечено по недостатку энергии. Тогда ученые предполагали, что список элементарных частиц исчерпан, однако теперь известно, что это далеко не так. Была открыта новая частица под названием нейтрино. Она не несет никакого электрического заряда и обладает чрезвычайно малой массой.

Нейтрон

Нейтрон - субатомная частица, которая обладает нейтральным электрическим зарядом. Ее масса практически в 2 тысячи раз превышает массу электрона. Так как нейтроны относятся к классу нейтральных частиц, то взаимодействуют они непосредственно с ядрами атомов, а не с их электронными оболочками. Также у нейтронов имеется магнитный момент, позволяющий ученым исследовать микроскопическую магнитную структуру вещества. Нейтронное излучение является безвредным даже для биологических организмов.

Субатомная частица - протон

Ученые выяснили, что эти «кирпичики материи» состоят из трех кварков. Протон является положительно заряженной частицей. Масса протона превосходит массу электрона в 1836 раз. Один протон и один электрон, соединяясь, образуют простейший химический элемент - атом водорода. До недавнего времени считалось, что протоны не могут менять свой радиус в зависимости от того, какие электроны вращаются над ними. Протон является электрически заряженной частицей. Соединяясь с электроном, он превращается в нейтрон.

Электрон

Электрон впервые был обнаружен английским физиком Дж. Томсоном в 1897 г. Эта частица, как сейчас считают ученые, является элементарным, или точечным объектом. Так называется субатомная частица в атоме, которая не имеет собственной структуры - не состоит из каких-либо других, более мелких, составляющих. В союзе с протоном и нейтроном электрон образует атом. Сейчас ученые еще не выяснили, из чего же состоит эта частица. Электрон является частицей, которая обладает бесконечно малым электрическим зарядом. Само слово «электрон» в переводе с древнегреческого означает «янтарь» - ведь именно янтарь ученые Эллады использовали для того, чтобы исследовать явления электричества. Этот термин был предложен британским физиком в 1894 г. Дж. Стони.

Зачем нужно изучать элементарные частицы?

Самый простой ответ на вопрос о том, зачем ученым необходимо знание о субатомных частицах, звучит так: чтобы иметь информацию о внутреннем строении атома. Однако такое утверждение содержит в себе лишь долю истины. В действительности, ученые изучают не просто внутреннее строение атома - основным полем их исследований являются столкновения мельчайших частиц вещества. Когда эти частицы, обладающие огромной энергией, сталкиваются друг с другом на больших скоростях, в буквальном смысле слова происходит рождение нового мира, а осколки материи, остающиеся после столкновений, помогают раскрыть тайны природы, всегда остававшиеся загадкой для ученых.

Субатомная физика необычайно популярна. За исследования в этом направлении ученые часто получают Нобелевскую премию. Неверонятной популярностью пользуются нейтрино. За эту частицу присудили четыре награды. 1988 году отметили открытие мюонного нейтрино. В 1995 году, премию получил Фред Рейнерс за регистрацию нейтрино. В 2002 году Рэй Дэвис и Масатоши Кошиба измерили сколько нейтрино Солнце присылает на Землю. В этом году Такааки Каджита и Артур Макдональд разделили премию за демонстрацию того, как нейтрино могут переходить из одной формы в другую.

Вольфганг Паули, предсказавший нейтрино, тоже получил Нобелевскую премию, но за другое открытие в физике элементарных частиц. Возможно, он бы получил еще одну, за нейтрино, но он опубликовал свое открытие в форме письма для конференции физиков, которую не посетил.

Однако самая популярная субатомная частица не единственный сюрприз микромира. Есть еще десяток разных открытий, которые можно назвать сногсшибательными.

10. Существование субатомных частиц

На протяжении 19-го века под вопросом было само существование атомов, и то благодаря успеху атомной теории в химии, озвученной английским школьным учителем Джоном Дальтоном. До него атомы были отвлеченным философским понятием, которое использовалось в рассуждениях о конечной природе материи, но рассматривалось за пределами экспериментальных исследований. Многие физики, вообще, считали атомы фикцией, удобной для объяснения данных экспериментов, но нереальной.

Данные накапливались, и пришлось признать, что если атомы и не существуют, то должна быть какая-то неделимая структура похожая на них. Камнем, подтверждающим существование атомов, стало повторение свойств элементов в периодической системе Менделеева. В 1897 году Томсон сообщил об открытии первой, элементарной частицы – электрона, которая полностью опровергала неделимость атомов.

9. Атомное ядро

Не успели физики принять идею, что атомы существуют, им пришлось начать мириться с тем, что они состоят из отдельных деталей. Томпсон предположил, что отрицательные электроны плавают, как вишни в положительно заряженном пудинге. Но когда Эрнесту Резерфорду и его помощникам удалось расстрелять альфа-частицами тонкий лист золота, некоторые из «патронов» отскочили назад. Это удивило Резерфорда, по его словам это было бы сравнимо со стрельбой по папиросной бумаге, при которой артиллерийские снаряды отлетали назад. Ученый предположил, что внутри атома находится крошечный шарик, сегодня мы называем их ядрами.

8. Нейтроны

К 1930 году физики знали о существовании двух субатомных частиц: протона и электрона, казалось, они все объясняли, кроме одного, почему положительно заряженные протоны не разлетаются. В 1920 году Резерфорд предположил, что они удерживаются рядом, благодаря еще одной частицы в ядре – нейтрону. В 1932 году Джемс Чедвик обнаружил нейтральную частицу. Количество элементарных частиц постоянно росло.

Открытие нейтрона стало огромной неожиданностью для физиков. Когда Резерфорд выдвинул идею существования нейтрона, ему мало кто поверил, возможно, только Чедвик.

7. Субатомные частицы на самом деле волны

Этот сюрприз связан с довольно комичной историей. В 1906 году Томсон получил Нобелевскую премию за то, что доказал экспериментально существование субатомное частицы – электрона. В 1973 году, его сын Джордж тоже получил эту награду, потому, что ему удалось продемонстрировать: электрон – это волна, по крайней мере, иногда. Эта двойственность волна-частица находится в центре квантовой физики.

6. Обнаружение нейтрино

В 1934 году Бете и Рудольф Пайерлс доказали, что нейтрино слабо взаимодействует с веществом, и глупо было бы пытаться обнаружить хотя бы одно. Понадобиться резервуар твердого вещества с диаметром в 1000 световых лет. Но тут же был обнаружен атомный распад и изобретены ядерные реакторы. Физики получили плодовитый источник нейтрино.

5. Элементарные частицы оказались не такими уж элементарными

Уже к 1950 году было обнаружено множество субатомных частиц, мало того, что неделимый атом оказался, еще как делимым, так и количество его частичек перевалило за полсотни. Один из лауреатов Нобелевской премии Леон Ладерман даже пошутил, что если бы ему нужно было выучить названия всех субатомных частиц, он бы стал ботаником. Физики начали подозревать, что у элементарных частиц, есть свои детали.

4. Кварки

В 1950 году физики узнали о субатомных частицах, которые не являются частью атомов. В 1960 году появилась мысль, что элементарные частицы, состоят из маленьких кирпичиков, которые имеют дробный заряд. Мюррей Гелл-Манн назвал эти частицы кварками, идея была новаторской, так как до этого считалось, что дробные заряды – это нонсенс. Через несколько лет очередной сюрприз от экспериментаторов – удалось подтвердить существование кварков.

3. Нарушение симметрии

Задолго до взрыва открытий субатомных частиц, уважаемый математик Герман Вейль отметил, что природа ничего не знает о паритете. Не может быть сомнений, что все законы природы инвариантны по отношению к перестановке справа и слева. Но в 1956 году Чэнь Нин Ян и Цзун-Дао Ли высказали идею, что правило лево-правой симметрии в некоторых случаях не работало, когда дело касается субатомных частиц. Это было сенсацией, особенно, когда появились подтверждения от экспериментаторов.

2. Стабильность протонов

Вне атомного ядра нейтроны крайне нестабильны и распадаются в течение нескольких минут на протон, электрон и антинейтрино. Но, кажется, что протон необычайно стабилен и может оставаться неделимым вечно. Хотя в 1970 годы теоретики начали верить, что протоны должны распадаться хотя бы за триллионы триллионов лет, несмотря на все усилия по выявлению подобного события ученым не удалось его зафиксировать. Это вызвало большое удивление. Все распадается, а протоны – нет.

1. Антиматерия

В 1932 году был обнаружен не только нейтрон, но и позитрон. Его вычислил Карл Андерсон, анализируя следы космических лучей в камере Вильсона. Среди отпечатков физик нашел тот, который выглядел, как и у электрона, но был изогнут в неправильном направлении. Это оказался позитрон, античастица электрона, Андерсон назвал это положительный электрон. Открытие частиц антиматерии было большой неожиданностью, но вполне отвечало теоретическим выкладкам Поля Дирака. Удивительно, что кто-то мог сделать вывод о существовании чего-то настолько странного, просто играя с уравнениями.

По теме « Свойства атома »

Выполнил студент 1 курса

Группы Ке-ДЛИ-401

Елисеев Владислав

Проверила:

Медведева Ольга Алексеевна

Кемерово 2015

Строение атома.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. Некоторые из них утверждали, что вещество состоит из мельчайших частиц, называемых атомами. Научные основы атомно-молекулярного учения были заложены позднее в работах русского учёного М.В. Ломоносова, французских химиков Л. Лавуазье и Ж. Пруста, английского химика Д. Дальтона, итальянского физика А. Авогадро и других исследователей.

Периодический закон Д.И. Менделеева показывает существование закономерной связи между всеми химическими элементами. Это говорит о том что в основе всех атомов лежит нечто общее. До конца XIX века в химии царило убеждение, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. Считалось, что при всех химических превращениях разрушаются и создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на части. И наконец в конце XIX века были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения одних атомов в другие.

Это послужило толчком к образованию и развитию нового раздела химии “Строение атома”. Первым указанием на сложную структуру атома - были опыты по изучению катодных лучей, возникающих при электрическом разряде в сильно разреженных газах. Для наблюдения этих лучей из стеклянной трубки, в которую впаяны два металлических электрода, выкачивается по возможности весь воздух и затем пропускается сквозь нее ток высокого напряжения. При таких условиях от катода трубки перпендикулярно к его поверхности распространяются "невидимые" катодные лучи, вызывающие яркое зеленое свечение в том месте, куда они попадают. Катодные лучи обладают способностью приводить в движение. На их пути легко подвижные тела откланяются от своего первоначального пути в магнитном и электрическом поле (в последнем в сторону положительно заряженной пластины). Действие катодных лучей обнаруживается только внутри трубки, так как стекло для них непроницаемо. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших частиц, несущих отрицательный заряд и летящих со скоростью, достигающей половины скорости света. Также удалось определить массу и величину их заряда. Масса каждой частицы равнялась 0,00055 углеродной частицы. Заряд равняется 1,602 на 10 в минус 19 степени. Особенно замечательно, что масса частиц и величина их заряда не зависит ни от природы газа, остающегося в трубке, ни от вещества из которого сделаны электроды, ни от прочих условий опыта. Кроме того, катодные частицы известны только в заряженном состоянии и не могут существовать без своих зарядов, не могут быть превращены в электронейтральные частицы: электрический заряд составляет, самую сущность их природы. Эти частицы получили название электронов. В катодных трубках электроны отделяются от катода под влиянием электрического заряда. Но они могут возникать и вне всякой связи с электрическим зарядом. Так, например при электронной эмиссии металлы испускают электроны; при фотоэффекте многие вещества также выбрасывают электроны. Выделение электронов самыми разнообразными веществами указывает на то, что эти частицы входят в состав всех атомов; следовательно атомы являются сложными образованиями, построенными из более мелких “составных частей”.

Изучение строения атома практически началось в 1897-1898 гг., после того как была окончательно установлена природа катодных лучей как потока электронов и были определены величина заряда и масса электрона. Факт выделения электронов самыми разнообразными веществами приводил к выводу, что электроны входят в состав всех атомов. Но атом, как известно, электрически нейтрален, из этого следовало, что в его состав должна была входить ещё одна составная часть, уравновешивавшая сумму отрицательных зарядов электронов. Эта положительно заряженная часть атома была открыта в 1911 г. Резерфордом при исследовании движения

частиц в газах и других веществах.

частицы, выбрасываемые веществами активных элементов представляют собой положительно заряженные ионы гелия, скорость движения которых достигает 20000 км/сек. Благодаря такой огромной скорости частицы, пролетая через воздух и сталкиваясь с молекулами газов, выбивают из них электроны. Молекулы, потерявшие электроны, становятся заряженными положительно, выбитые же электроны тотчас присоединяются к другим молекулам, заряжая их отрицательно. Таким образом, в воздухе на пути частиц образуются положительно и отрицательно заряженные ионы газа. Способность частиц ионизировать воздух была использована английским физиком Вильсоном для того, чтобы сделать видимыми пути движения отдельных частиц и сфотографировать их.

Впоследствии аппарат для фотографирования частиц получил название камеры Вильсона. (Первый трековый детектор заряженных частиц. Изобретена Ч. Вильсоном в 1912. Действие Вильсона камеры основано на конденсации пересыщенного пара (образовании мелких капелек жидкости) на ионах, возникающих вдоль следа (трека) заряженной частицы. В дальнейшем вытеснена другими трековыми детекторами.)

Исследуя пути движения частиц с помощью камеры, Резерфорд заметил, что в камере они параллельны (пути), а при пропускании пучка параллельных лучей через слой газа или тонкую металлическую пластинку, они выходят не параллельно, а несколько расходятся, т.е. происходит отклонение частиц от их первоначального пути. Некоторые частицы отклонялись очень сильно, некоторые вообще не проходили через тонкую пластинку.

Исходя из этих наблюдений, Резерфорд предложил свою схему строения атома: в центре атома находится положительное ядро, вокруг которого по разным орбиталям вращаются отрицательные электроны. Центростремительные силы, возникающие при их вращении удерживают их на своих орбиталях и не дают им улететь. Эта модель атома легко объясняет явление отклонения частиц. Размеры ядра и электронов очень малы по сравнению с размерами всего атома, которые определяются орбитами наиболее удаленных от ядра электронов; поэтому большинство частиц пролетает через атомы без заметного отклонения. Только в тех случаях, когда частицы очень близко подходит к ядру, электрическое отталкивание вызывает резкое отклонение ее от первоначального пути. Таким образом, изучение рассеяние частиц положило начало ядерной теории атома. Одной из задач, стоявших перед теорией строения атома в начале ее развития, было определение величины заряда ядра различных атомов. Так как атом в целом электрически нейтрален, то, определив заряд ядра, можно было бы установить и число окружающих ядро электронов. В решении этой задачи этой большую помощь оказало изучение спектров рентгеновских лучей. Рентгеновские лучи возникают при ударе быстро летящих электронов о какое-либо твердое тело и отличаются от лучей видимого света только значительно меньшей длиной волны. В то время как короткие световые волны имеют длину около 4000 ангстремов (фиолетовые лучи), длины волн рентгеновских лучей лежат в пределах от 20 до 0,1 ангстрема. Чтобы получить спектр рентгеновских лучей, нельзя пользоваться обыкновенной призмой или дифракционной решеткой. (Дифракционная РЕШЕТКА, оптический прибор; совокупность большого количества параллельных щелей в непрозрачном экране или отражающих зеркальных полосок (штрихов), равноотстоящих друг от друга, на которых происходит дифракция света. Дифракционная решетка разлагает падающий на нее пучок света в спектр, что используется в спектральных приборах.)

Для рентгеновских лучей требовалась решётка с очень большим количеством делений на один миллиметр (примерно 1млн./1мм.). Такую решётку искусственно приготовить было невозможно. В 1912 г. у швейцарского физика Лауэ возникла мысль использовать кристаллы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей.

Упорядоченное расположение атомов в кристалле и малое расстояние между ними давало повод предполагать что как раз кристаллы и подойдут на роль требуемой дифракционной решётки.

Опыт блестяще подтвердил предположение Лауэ, вскоре удалось построить приборы, которые давали возможность получать спектр рентгеновских лучей почти всех элементов. Для получения рентгеновских спектров антикатод в рентгеновских трубках делают из того металла, спектр которого хотят получить, или же наносят соединение исследуемого элемента. Экраном для спектра служит фотобумага; после проявления на ней видны все линии спектра. В 1913 г. английский ученый Мозли, изучая рентгеновские спектры нашел соотношение между длинами волн рентгеновских лучей и порядкового номерами соответствующих элементов - это носит название закона Мозли и может быть сформулировано следующим образом: Корни квадратные из обратных значений длин волн находятся в линейной зависимости от порядковых номеров элементов.

Еще до работ Мозли некоторые учёные предполагали, что порядковый номер элемента указывает число зарядов ядра его атома. В тоже время Резерфорд, изучая рассеивание частиц при прохождении через тонкие металлические пластинки, выяснил, что если заряд электрона принять за единицу, то выражаемый в таких единицах заряд ядра приблизительно равен половине атомного веса элемента. Порядковый номер, по крайне мере более легких элементов, тоже равняется примерно половине атомного веса. Все вместе взятое привело к выводу, что Заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента. Таким образом, закон Мозли позволил определить заряды атомных ядер. Тем самым, ввиду нейтральности атомов, было установлено и число электронов, вращающихся вокруг ядра в атоме каждого элемента. Ядерная модель атома Резерфорда получила свое дальнейшее развитие благодаря работам Нильс Бора , в которых учение о строении атома неразрывно связывается с учением о происхождении спектров.

Линейчатые спектры получаются при разложении света испускаемого раскаленными парами или газами. Каждому элементу отвечает свой спектр, отличающийся от спектров других элементов. Большинство металлов дает очень сложные спектры, содержащие огромное число линий (в железе до 5000), но встречаются и сравнительно простые спектры.

Развивая ядерную теорию Резерфорда, ученые пришли к мысли, что сложная структура линейчатых спектров обусловлена происходящими внутри атомов колебаниями электронов. По теории Резерфорда, каждый электрон вращается вокруг ядра, причем сила притяжения ядра уравновешивается центробежной силой, возникающей при вращении электрона. Вращение электрона совершенно аналогично его быстрым колебаниям и должно вызвать испускание электромагнитных волн. Поэтому можно предположить, что вращающийся электрон излучает свет определенной длины волны, зависящий от частоты обращения электрона по орбите. Но, излучая свет, электрон теряет часть своей энергии, в следствие чего нарушается равновесие между ним и ядром; для восстановления равновесия электрон должен постепенно передвигаться ближе к ядру, причем так же постепенно будет изменяться частота обращения электрона и характер испускаемого им света. В конце концов, исчерпав всю энергию, электрон должен "упасть" на ядро, и излучение света прекратится. Если бы на самом деле происходило такое непрерывное изменение движения электрона, то и спектр получался бы всегда непрерывный, а не с лучами определенной длины волны. Кроме того, "падение" электрона на ядро означало бы разрушение атома и прекращения его существования. Таким образом, теория Резерфорда была бессильна объяснить не только закономерности в распределении

линий спектра, ни и само существование линейчатых спектров. В 1913 г. Бор предложил сою теорию строения атома, в которой ему удалось с большим искусством согласовать спектральные явления с ядерной моделью атома, применив к последней так называемую квантовую теорию излучения, введенную в науку немецким ученым-физиком Планком. Сущность теории квантов сводится к тому, что лучистая энергия испускается и поглощается не непрерывно, как принималось раньше, а отдельными малыми, но вполне определенными порциями - квантами энергии. Запас энергии излучающего тела изменяется скачками, квант за квантом; дробное число квантов тело не может ни испускать, ни поглощать. Величина кванта энергии зависит от частоты излучения: чем больше частота излучения, тем больше величина кванта. Кванты лучистой энергии называются также фотонами. Применив квантовые представления к вращению электронов вокруг ядра, Бор положил в основу своей теории очень смелые предположения, или постулаты. Хотя эти постулаты и противоречат законам классической электродинамики, но они находят свое оправдание в тех поразительных результатах, к которым приводят, и в том полнейшем согласии, которое обнаруживается между теоретическими результатами и огромным числом экспериментальных фактов. Постулаты Бора заключаются в следующем: Электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Частота излучаемого при этом света определяется радиусами тех двух орбит, между которыми совершается переход электрона. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения. Простейшим из атомов является атом водорода; вокруг ядра которого вращается только один электрон. Исходя из приведенных постулатов, Бор рассчитал радиусы возможных орбит для этого электрона и нашел, что они относятся, как квадраты натуральных чисел: 1: 2: 3: ... n Величина n получила название главного квантового числа. Радиус ближайшей к ядру орбиты в атоме водорода равняется 0,53 ангстрема. Вычисленные отсюда частоты излучений, сопровождающих переходы электрона с одной орбиты на другую, оказались в точности совпадающими с частотами, найденными на опыте для линий водородного спектра.Тем самым была доказана правильность расчета устойчивых орбит, а вместе с тем и приложимость постулатов Бора для таких расчетов. В дальнейшем теория Бора была распространена и на атомную структуру других элементов, хотя это было связанно с некоторым трудностями из-за ее новизны.

Теория Бора позволила разрешить очень важный вопрос о расположении электронов в атомах различных элементов и установить зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек их атомов. В настоящее время разработаны схемы строения атомов всех химических элементов. Однако, иметь ввиду, что все эти схемы это лишь более или менее достоверная гипотеза, позволяющая объяснить многие физические и химические свойства элементов. Как раньше уже было сказано, число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющие или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается

на несколько энергетических уровней. Электроны каждого следующего слоя находятся на более высоком энергетическом уровне, чем электроны предыдущего слоя. Наибольшее число электронов N, могущих находиться на данном энергетическом уровне, равно удвоенному квадрату номера слоя:

где n-номер слоя. Кроме того, установлено, что число электронов в наружном слое для всех элементов, кроме палладия, не превышает восьми, а в предпоследнем - восемнадцати. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженные положительно, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов. Наоборот атомы присоединившие электроны становятся заряженные отрицательно. Образующиеся таким путем заряженные частицы, качественно отличные от соответствующих атомов. называются ионами. Многие ионы в свою очередь могут терять или присоединять электроны, превращаясь при этом или в электронейтральные атомы, или в новые ионы с другим зарядом. Теория Бора оказала огромные услуги физике и химии, подойдя, с одной стороны, к раскрытию законов спектроскопии и объяснению механизма лучеиспускания, а с другой - к выяснению структуры отдельных атомов и установлению связи между ними. Однако оставалось еще много явлений в этой области, объяснить которые теория Бора не могла.

Движение электронов в атомах Бор представлял как простое механическое, однако оно является сложным и своеобразным. Это своеобразие было объяснено новой квантовой теорией. Отсюда и пошло: “Карпускулярно-вролновой дуализм”.

И так, электрон в атоме характеризуется:

1. Главным квантовым числом n, указывающим на энергию электрона;

2. Орбитальным квантовым числом l , указывающим на характер орбиты;

3. Магнитным квантовым числом, характеризующим положение облаков в пространстве;

4. И спиновым квантовым числом, характеризующим веретенообразное движение электрона вокруг своей оси.

В далёком прошлом философы Древней Греции предполагали, что вся материя едина, но приобретает те или иные свойства в зависимости от её “сущности”. А сейчас, в наше время, благодаря великим учёным, мы точно знаем, из чего на самом деле она состоит.

Используемая литература:

1) Курс общеё химии (Н.В. Коровин)

2) Курс общей химии (А.Н. Харин)

3) Строение вещества (В.К. Васильев, А.Н. Шувалова)

4) Физическая химия (А.Л. Дайнэко)

Строение атомного ядра. Субатомные частицы. Элементы. Изотопы.

Атом состоит из ядра и окружающего его электронного "облака". Находящиеся в электронном облаке электроны несут отрицательный электрический заряд. Протоны , входящие в состав ядра, несут положительный заряд.

В любом атоме число протонов в ядре в точности равно числу электронов в электронном облаке, поэтому атом в целом – нейтральная частица, не несущая заряда.

Атом может потерять один или несколько электронов или наоборот – захватить чужие электроны. В этом случае атом приобретает положительный или отрицательный заряд и называется ионом .

Практически вся масса атома сосредоточена в его ядре, так как масса электрона составляет всего лишь 1/1836 часть массы протона. Плотность вещества в ядре фантастически велика – порядка 10 13 - 10 14 г/см 3 . Спичечный коробок, наполненный веществом такой плотности, весил бы 2,5 миллиарда тонн!

Внешние размеры атома – это размеры гораздо менее плотного электронного облака, которое примерно в 100000 раз больше диаметра ядра.

Кроме протонов, в состав ядра большинства атомов входят нейтроны , не несущие никакого заряда. Масса нейтрона практически не отличается от массы протона. Вместе протоны и нейтроны называются нуклонами (от латинского nucleus – ядро).

Электроны, протоны и нейтроны являются главными "строительными деталями" атомов и называются субатомными частицами. Их заряды и массы в кг и в специальных “атомных” единицах массы (а.е.м.) показаны в таблице 2-1.

Таблица 2-1. Субатомные частицы.

Из таблицы 2-1 видно, что массы субатомных частиц чрезвычайно малы. Показатель степени (например, десять в минус двадцать седьмой степени) показывает, сколько нулей после запятой нужно записать, чтобы получилась десятичная дробь, выражающая массу субатомной частицы в килограммах. Это ничтожнейшая часть килограмма, поэтому массу субатомных частиц удобнее выражать в атомных единицах массы (сокращенно – а.е.м.). За атомную единицу массы принята ровно 1/12 часть массы атома углерода, в ядре которого содержится 6 протонов и 6 нейтронов. Схематическое изображение такого "эталонного" атома углерода приведено на рис. 2-5 (б). Атомную единицу массы можно выразить и в граммах: 1 а.е.м. = 1,660540·10 -24 г.

<="" p="">

Рис. 2-5. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и электронного облака. а) В состав ядра атома водорода входит только 1 протон, а электронное облако заполняется одним электроном. б) В ядре атома углерода 6 протонов и 6 нейтронов, а в электронном облаке – 6 электронов. в) Существует также изотопный углерод, ядре которого на 1 нейтрон больше. Содержание этого изотопа в природном углероде составляет чуть более 1% (об изотопах см. ниже). Линейные размеры атомов очень малы: их радиусы составляют от 0,3 до 2,6 ангстрема (1 ангстрем = 10 –8 см). Радиус ядра около 10 –5 ангстрема, то есть 10 –13 см. Это в 100000 раз меньше размеров электронной оболочки. Поэтому правильно показать относительные пропорции ядер и электронных оболочек на рисунке невозможно. Если бы атом увеличился до размеров Земли, то ядро имело бы всего около 60 м в диаметре и могло бы поместиться на футбольном поле.

Масса атома, выраженная в килограммах или граммах, называется абсолютной атомной массой . Чаще пользуются относительной атомной массой , которая выражается в атомных единицах массы (а.е.м.). Относительная атомная масса представляет собой отношение массы какого-нибудь атома к массе 1/12 части атома углерода. Иногда говорят более коротко: атомный вес . Последний термин вовсе не устаревший, как иногда пишут в учебниках – он широко используются в современной научной литературе, поэтому мы тоже будем его применять. Относительная атомная масса и атомный вес, фактически, безразмерные величины (масса какого-либо атома делится на массу части атома углерода), поэтому обозначение "а.е.м." после численного значения обычно опускают (но можно и написать, в этом не будет ошибки). Термины “относительная атомная масса”, “атомная масса” , “атомный вес” в научном химическом языке обычно используются равноправно и между ними просто не делают различий. В Международном союзе химиков (IUPAC) существует Комиссия по относительной распространенности изотопов и атомным весам (Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights или сокращенно – CIAAW), но не "Комиссия по относительным атомным массам". Однако все химики прекрасно понимают, что речь идет об одном и том же.

В российских учебниках и заданиях ЕГЭ пользуются термином относительная атомная масса , которую обозначают символом A r . Здесь "r" – от английского "relative" – относительный. Например, A r = 12,0000 – относительная атомная масса углерода 12 6 C равна 12,0000. В современной научной литературе относительная атомная масса и атомный вес – синонимы.

** Из курса физики вы помните, что вес физического тела является переменной величиной. Например, на Земле и на Луне одно и то же физическое тело имеет разный вес, но масса тела – величина постоянная. Поэтому термин “относительная атомная масса” считается более строгим. Для многих вычислений удобно массы протона и нейтрона в шкале а.е.м. считать округленно равными единице .

На рис. 2-5 показаны атомы двух разных видов. Может возникнуть вопрос: почему двух, а не трех видов – ведь на рисунке изображены три атома? Дело в том, что атомы (б) и (в) относятся к одному и тому же химическому элементу углероду, в то время как атом (а) – совсем другой элемент (водород). Что же такое химические элементы и чем они отличаются друг от друга?

Водород и углерод отличаются числом протонов в ядре и, следовательно, числом электронов в электронной оболочке. Число протонов в ядре атома называют зарядом ядра атома и обозначают буквой Z. Это очень важная величина. Когда мы перейдем к изучению Периодического закона, то увидим, что число протонов в ядре совпадает с порядковым номером атома в Периодической таблице Д.И.Менделеева.

Как мы уже говорили, заряд ядра (число протонов) совпадает с числом электронов в атоме. Когда атомы сближаются, то в первую очередь они взаимодействуют друг с другом не ядрами, а электронами. Число электронов определяет способность атома образовывать связи с другими атомами, то есть его химические свойства. Поэтому атомы с одинаковым зарядом ядра (и одинаковым числом электронов) ведут себя в химическом отношении практически одинаково и рассматриваются как атомы одного химического элемента .