Атомною масоюназивається сума мас всіх протонів, нейтронів та електронів, з яких складається той чи інший атом чи молекула. Порівняно з протонами та нейтронами маса електронів дуже мала, тому вона не враховується у розрахунках. Хоча це й некоректно з формальної точки зору, нерідко цей термін використовується для позначення середньої атомної маси всіх ізотопів елемента. Насправді це відносна атомна маса, звана також атомною вагоюелемент. Атомна вага – це середнє значення атомних масвсіх ізотопів елемента, що зустрічаються у природі. Хіміки повинні розрізняти ці два типи атомної маси під час виконання своєї роботи – неправильне значення атомної маси може, наприклад, призвести до неправильного результату виходу продукту реакції.
Кроки
Знаходження атомної маси за періодичною таблицею елементів
- Атомна одиниця маси характеризує масу одного молячи цього елемента в грамах. Ця величина дуже корисна при практичних розрахунках, оскільки з її допомогою можна легко перевести масу заданої кількості атомів або молекул цієї речовини в молі, і навпаки.
-
Знайдіть атомну масу в періодичній таблиці Менделєєва.У більшості стандартних таблиць Менделєєва містяться атомні маси (атомні ваги) кожного елемента. Як правило, вони наведені у вигляді числа у нижній частині осередку з елементом, під літерами, що позначають хімічний елемент. Зазвичай це ціле число, а десятковий дріб.
Пам'ятайте, що в періодичній таблиці наведено середні атомні маси елементів.Як було зазначено раніше, відносні атомні маси, вказані для кожного елемента в періодичній системі, є середніми значеннями всіх ізотопів атома. Це середнє значення цінно багатьох практичних цілей: наприклад, воно використовується при розрахунку молярної маси молекул, що складаються з декількох атомів. Однак коли ви маєте справу з окремими атомами, цього значення, як правило, недостатньо.
- Оскільки середня атомна маса є усередненим значенням для декількох ізотопів, величина, зазначена в таблиці Менделєєва не є точнимзначенням атомної маси будь-якого одиничного атома.
- Атомні маси окремих атомів необхідно розраховувати з урахуванням точного числа протонів та нейтронів у одиничному атомі.
Розрахунок атомної маси окремого атома
-
Знайдіть атомний номер цього елемента або його ізотопу.Атомний номер – це кількість протонів в атомах елемента, вона ніколи не змінюється. Наприклад, всі атоми водню, причому тількивони мають один протон. Атомний номер натрію дорівнює 11, оскільки в його ядрі одинадцять протонів, тоді як атомний номер кисню становить вісім, тому що в ядрі його вісім протонів. Ви можете знайти атомний номер будь-якого елемента в періодичній таблиці Менделєєва - практично у всіх стандартних варіантах цей номер вказаний над літерним позначенням хімічного елемента. Атомний номер завжди є цілим позитивним числом.
- Припустимо, нас цікавить атом вуглецю. В атомах вуглецю завжди шість протонів, тому ми знаємо, що його атомний номер дорівнює 6. Крім того, ми бачимо, що в періодичній системі у верхній частині осередку з вуглецем (C) знаходиться цифра "6", що вказує на те, що атомний номер вуглецю дорівнює шести.
- Зауважте, що атомний номер елемента не пов'язаний однозначно з його відносною атомною масою в періодичній системі. Хоча, особливо для елементів у верхній частині таблиці, може здатися, що атомна маса елемента вдвічі більша за його атомний номер, вона ніколи не розраховується множенням атомного номера на два.
-
Знайдіть число нейтронів у ядрі.Кількість нейтронів може бути різним для різних атомів одного й того самого елемента. Коли два атоми одного елемента з однаковою кількістю протонів мають різну кількість нейтронів, є різними ізотопами цього елемента. На відміну від кількості протонів, яка ніколи не змінюється, число нейтронів в атомах певного елемента може часто змінюватися, тому середня атомна маса елемента записується у вигляді десяткового дробу зі значенням між двома сусідніми цілими числами.
Складіть кількість протонів та нейтронів.Це буде атомною масою даного атома. Не звертайте уваги на кількість електронів, які оточують ядро – їхня сумарна маса надзвичайно мала, тому вони практично не впливають на ваші розрахунки.
Обчислення відносної атомної маси (атомної ваги) елемента
-
Визначте, які ізотопи містяться у зразку.Хіміки часто визначають співвідношення ізотопів у конкретному зразку за допомогою спеціального приладу під назвою мас-спектрометр. Однак під час навчання ці дані будуть надані вам в умовах завдань, контрольних тощо у вигляді значень, взятих із наукової літератури.
- У нашому випадку припустимо, що ми маємо справу з двома ізотопами: вуглецем-12 та вуглецем-13.
-
Визначте відносний зміст кожного ізотопу у зразку.Для кожного елемента різні ізотопи зустрічаються в різних співвідношеннях. Ці співвідношення майже завжди виражають у відсотках. Деякі ізотопи зустрічаються дуже часто, тоді як інші дуже рідкісні - часом настільки, що їх важко виявити. Ці величини можна визначити за допомогою мас-спектрометрії або знайти у довіднику.
- Припустимо, що концентрація вуглецю-12 дорівнює 99%, а вуглецю-13 – 1%. Інші ізотопи вуглецю справдііснують, але в кількостях настільки малих, що в даному випадку ними можна знехтувати.
-
Помножте атомну масу кожного ізотопу на його концентрацію у зразку.Помножте атомну масу кожного ізотопу на його відсотковий вміст (виражене у вигляді десяткового дробу). Щоб перевести відсотки на десятковий дрібпросто розділіть їх на 100. Отримані концентрації в сумі завжди повинні давати 1.
- Наш зразок містить вуглець-12 та вуглець-13. Якщо вуглець-12 становить 99% зразка, а вуглець-13 – 1%, необхідно помножити 12 (атомна маса вуглецю-12) на 0,99 і 13 (атомна маса вуглецю-13) на 0,01.
- У довідниках даються відсоткові співвідношення, що ґрунтуються на відомих кількостях усіх ізотопів того чи іншого елемента. Більшість підручників з хімії містять цю інформацію у вигляді таблиці наприкінці книги. Для зразка, що вивчається, відносні концентрації ізотопів можна також визначити за допомогою мас-спектрометра.
-
Складіть отримані результати.Підсумуйте результати множення, які ви отримали у попередньому кроці. В результаті цієї операції ви знайдете відносну атомну масу вашого елемента - середнє значення атомних мас ізотопів елемента, що розглядається. Коли розглядається елемент загалом, а чи не конкретний ізотоп даного елемента, використовується саме ця величина.
- У прикладі 12 x 0,99 = 11,88 для вуглецю-12, і 13 x 0,01 = 0,13 для вуглецю-13. Відносна атомна маса у нашому випадку становить 11,88 + 0,13 = 12,01 .
- Деякі ізотопи менш стабільні за інші: вони розпадаються на атоми елементів з меншою кількістю протонів і нейтронів в ядрі з виділенням частинок, що входять до складу атомного ядра. Такі ізотопи називають радіоактивними.
Вивчіть як записується атомна маса.Атомна маса, тобто маса даного атома чи молекули, може бути виражена у стандартних одиницях системи СІ – грамах, кілограмах тощо. Однак у зв'язку з тим, що атомні маси, виражені в цих одиницях, надзвичайно малі, їх часто записують в уніфікованих атомних одиницях маси, або скорочено а. - Атомні одиниці маси. Одна атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси стандартного ізотопу вуглець-12.
§1 Заряд і маса атомних ядер
Найважливішими характеристиками ядра є його заряд та маса М.
Z- Заряд ядра визначається кількістю позитивних елементарних зарядів зосереджених у ядрі. Носієм позитивного елементарного заряду р= 1,6021 · 10 -19 Кл у ядрі є протон. Атом загалом нейтральний і заряд ядра визначає одночасно кількість електронів в атомі. Розподіл електронів в атомі за енергетичними оболонками та підболочками істотно залежить від їх загального числа в атомі. Тому заряд ядра значною мірою визначає розподіл електронів за їхніми станами в атомі та положення елемента в періодичній системі Менделєєва. Заряд ядра дорівнюєqя = z· e, де z-Зарядове число ядра, що дорівнює порядковому номеру елемента в системі Менделєєва
Маса атомного ядра практично збігається з масою атома, тому що маса електронів усіх атомів, крім водневого, становить приблизно 2,5 10 -4 маси атомів. Масу атомів виражають у атомних одиницях маси (а.е.м.). За а.е.м. прийнята1/12 маса атома вуглецю.
1 ае.м. = 1,6605655 (86) · 10 -27 кг.
mя = m a - Z m e .
Ізотопами називаються різновиди атомів даного хімічного елемента, що володіють однаковим зарядом, але різниться масою.
Ціле число найближче до атомної маси, вираженої в а.м . називається масовим числомм і позначається буквою А. Позначення хімічного елемента: А - масове число, X - символ хімічного елемента,Z-зарядове число - порядковий номер у таблиці Менделєєва ():
Берилій; Ізотопи: , ", .
Радіус ядра:
де А – масове число.
§2 Склад ядра
Ядро атома воднюназивається протоном
mпротона= 1,00783 а. , 
.
Схема атома водню
У 1932 р. була відкрита частка названа нейтроном, що володіє масою близькою до маси протона (mнейтрону= 1,00867 а.е.м.) і не має електричного заряду. Тоді ж Д.Д. Іваненко сформулював гіпотезу про протонно - нейтронну будову ядра: ядро складається з протонів і нейтронів та їх сума дорівнює масовому числу А. 3арядове числоZвизначає число протонів у ядрі, число нейтронівN = А - Z.
Елементарні частинки - протони та нейтрони, що входятьдо складу ядра, отримали загальна названуклонів. Нуклони ядер перебувають у станах, істотно відмінних від своїх вільних станів. Між нуклонами здійснюється спеціальнея де р ня взаємодія. Кажуть, що нуклон може перебувати у двох «зарядових станах» - протонному із зарядом+ е, і ній-трон з зарядом 0.
§3 Енергія зв'язку ядра. Дефект маси. Ядерні сили
Ядерні частинки - протони і нейтрони - міцно утримуються всередині ядра, тому між ними діють дуже великі сили тяжіння, здатні протистояти величезним силам відштовхування між однойменно зарядженими протонами. Ці особливі сили, що виникають на малих відстанях між нуклонами, називаються ядерними силами. Ядерні сили є електростатичними (кулонівськими).
Вивчення ядра показало, що діючі між нуклонами ядерні сили мають такі особливості:
а) це сили короткодіючі - що виявляється на відстанях порядку 10 -15 м і різко спадають навіть при незначному збільшення відстані;
б) ядерні сили не залежать від того, чи має частка (нуклон) заряд - зарядова незалежність ядерних сил. Ядерні сили, що діють між нейтроном і протоном, між двома нейтронами між двома протонами рівні. Протон і нейтрон щодо ядерних сил однакові.
Енергія зв'язку є мірою стійкості атомного ядра. Енергія зв'язку ядра дорівнює роботі, яку потрібно зробити для розщеплення ядра на складові його нуклони без повідомлення їм кінетичної енергії
М Я< Σ( m p + m n)
Мя – маса ядра
Вимір мас ядер показує, що маса спокій ядра менше, ніж сума мас спокою складових його нуклонів.
Величина
служить мірою енергія зв'язку та називається дефектом маси.
Рівняння Ейнштейна у спеціальній теорії відносності пов'язує енергію та масу спокою частки.
У загальному випадку енергія зв'язку ядра може бути підрахована за формулою
де Z - зарядове число (кількість протонів в ядрі);
А- масове число (загальна кількість нуклонів у ядрі);
m p, , M n і М я- Маса протона, нейтрону а ядра
Дефект маси (Δ m) рівні.й 1 а.е. м. (а.е.м. - атомна одиниця маси) відповідає енергій зв'язку (Е св), що дорівнює 1 а.е.е. (а.е.е. - атомна одиниця енер-гії) і рівною 1а.е.м.·с 2 = 931 МеВ.
Зміни ядер при взаємодії їх із окремими частинками і друг з одним прийнято називати ядерними реакціями.
Розрізняють такі, що найчастіше зустрічаються ядерні реакції.
- Реакція перетворення . У цьому випадку частка, що налетіла, залишається в ядрі, але проміжне ядро випускає якусь іншу частинку, тому ядро - продукт відрізняється від ядра-мішені.
- Реакція радіаційного захоплення . Частина, що налетіла, застряє в ядрі, але збуджене ядро випускає надмірну енергію, випромінюючи γ-фотон (використовується в роботі ядерних реакторів)
Приклад реакції захоплення нейтронів кадмієм
або фосфором
- Розсіювання. Проміжне ядро випускає частинку, тотожну
з налетіла, причому може бути:
Пружне розсіювання нейтронів вуглецем (використовується в реакторах для уповільнення нейтронів):
Непружне розсіювання :
- Реакція поділу. Це реакція, яка завжди з виділенням енергії. Вона є основою для технічного отримання та використання ядерної енергії. При реакції поділу збудження проміжного складового ядра настільки велике, що воно ділиться на два, приблизно рівних уламка, з виділенням кількох нейтронів.
Якщо енергія збудження невелика, то поділ ядра не відбувається, а ядро, втративши надлишок енергії шляхом випромінювання - фотона або нейтрона, повернеться в нормальний стан (рис. 1). Але якщо вноситься нейтроном енергія велика, то збуджене ядро починає деформуватися, в ньому утворюється перетяжка і в результаті воно ділиться на два уламки, що розлітаються з величезними швидкостями, при цьому випускається два нейтрони
(Рис. 2).
Ланцюгова реакція- Реакція поділу, що саморозвивається. Для здійснення її необхідно, щоб з вторинних нейтронів, що утворюються при одному акті поділу, хоча б один зміг викликати наступний акт поділу: (оскільки деякі нейтрони можуть брати участь в реакціях захоплення не викликаючи поділу). Кількісно умова існування ланцюгової реакції виражає коефіцієнт розмноження
k < 1 - цепная реакция невозможна, k = 1 (m = mкр ) - ланцюгова реакційз постійною кількістю нейтронів (в ядерному реакторі),k > 1 (m > mкр ) - Ядерні бомби.
§1 Природна радіоактивність
Радіоактивність є мимовільне перетворення нестійких ядер одного елемента в ядра іншого елемента. Природною радіоактивністюназивається радіоактивність, що спостерігається у існуючих у природі нестійких ізотопів. Штучною радіоактивністю називається радіоактивність ізотопів, отриманих в результаті ядерних реакцій.
Типи радіоактивності:
- α-розпад.
Випускання ядрами деяких хімічних елементів α-системи двох протонів і двох нейтронів, з'єднаних воєдино (а-частка - ядро атома гелію)
α-розпад властивий важким ядрамз А> 200 таZ > 82. Під час руху у веществе α-частки виробляють своєму шляху сильну іонізацію атомів (іонізація - відрив електронів від атома), діючи ними своїм електричним полем. Відстань, на яку пролітає α-частка в речовині до її повної зупинки, називається пробігом часткиабо проникаючою здатністю(позначаєтьсяR, [R] = м, см). . За нормальних умов α-частка утворюєв повітря 30000 пар іонів на 1 см шляху. Питомою іонізацією називається число пар іонів, що утворюються на 1 см довжини пробігу. α-частиця має сильну біологічну дію.
Правило усунення для α-розпаду:
2. β-розпад.
а) електронний (β-): ядро випускає електрон та електронне антинейтрино
б) позитронний (β +): ядро випускає позитрон і нейтрино
Ця процеси відбуваються шляхом перетворення одного виду нуклону в яд-ре в інший: нейтрона в протон або протона в нейтрон.
Електронів в ядрі немає, вони утворюються в результаті взаємного перетворення нуклонів.
Позитрон - частка, що відрізняється від електрона тільки знаком заряду (+е = 1,6 · 10 -19 Кл)
З експерименту випливає, що при β-розпаді ізотопи втрачають однакову кількість енергії. Отже, на підставі закону збереження енергії Паулі передбачив, що викидається ще одна легка частка, названа антинейтрино. Антинейтрино не має заряду та маси. Втрати енергії β - частинками при проходженні їх через речовину викликаються, головним чином, процесами іонізації. Частина енергії втрачається на рентгенівське випромінювання при гальмуванні - частки ядрами поглинаючої речовини. Так як β - частинки мають малу масу, одиничний заряд і дуже великі швидкості, то їх іонізуюча здатність невелика, (у 100 разів менше, ніж у α - частинок), отже, проникаюча здатність (пробіг) у β - частинок істотно більше ніж у α - частинок.
R β повітря = 200 м, R β Pb ≈ 3 мм
β - - розпад відбувається у природних та штучних радіоактивних ядер. β + - лише за штучної радіоактивності.
Правило зсуву для β - - розпаду:
в) К - захоплення (електронне захоплення) - ядро поглинає один з електронів, що знаходяться на оболонці К (рідшеLабо М) свого атома, в результаті чого один з протонів перетворюється на нейтрон, випускаючи при цьому нейтрино
Схема К - захоплення:
Місце електронній оболонці, звільнене захопленим електроном, заповнюється електронами з вищележачих шарів, в результаті чого виникають рентгенівські промені.
- γ-промені.
Зазвичай всі типи радіоактивності супроводжуються випромінюванням γ-променів. γ-промені - це електромагнітне випромінювання, що володіє довжинами хвиль від одного до сотих часток ангстрем λ'=~ 1-0,01 Å=10 -10 -10 -12 м. Енергія γ-променів досягає мільйонів еВ.
W γ ~ MeB
1еВ = 1,6 · 10 -19 Дж
Ядро, що відчуває радіоактивний розпад, як правило, виявляється збудженим, і його перехід в основний стан супроводжується випромінюванням - фотона. При цьому енергія γ-фотону визначається умовою
де Е 2 та E 1 -енергія ядра.
Е 2 - Енергія в збудженому стані;
Е 1 - Енергія в основному стані.
Поглинання γ-променів речовиною обумовлено трьома основними процесами:
- фотоефектом (при hv < l MэB);
- утворенням пар електрон – позитрон;
або
- розсіювання (ефект Комптону) -
Поглинання γ-променів відбувається за законом Бугера:
де μ- лінійний коефіцієнтослаблення, що залежить від енергій γ - променів та властивостей середовища;
І 0 - Інтенсивність падаючого паралельного пучка;
I- Інтенсивність пучка після проходження речовини завтовшки хдив.
γ-промені - одне з найбільш проникаючих випромінювань. Для найбільш жорстких променів (hν max) товщина шару половинного поглинання дорівнює у свинці 1,6 см, у залозі – 2,4 см, в алюмінії – 12 см, у землі – 15 см.
§2 Основний закон радіоактивного розпаду.
Кількість ядер, що розпалисяdN пропорційно первісному числу ядер Nта часу розпадуdt, dN~ N dt. Основний закон радіоактивного розпаду у диференційній формі:
Коефіцієнт називається постійною розпаду для даного виду ядер. Знак “-“ означає, щоdNмає бути негативним, оскільки кінцеве число ядер, що розпалися, менше початкового.
отже, λ характеризує частку ядер, що розпадаються за одиницю часу, тобто визначає швидкість радіоактивного розпаду. λ не залежить від зовнішніх умов, А визначається лише внутрішніми властивостями ядер. [λ] = з -1.
Основний закон радіоактивного розпаду в інтегральній формі
де N 0 - початкова кількість радіоактивних ядер приt=0;
N- кількість ядер, що не розпалися, в момент часуt;
λ - стала радіоактивного розпаду.
Про швидкість розпаду на практиці судять використовуючи не λ, а Т 1/2 - період напіврозпаду - час, за який розпадається половина первісної кількості ядер. Зв'язок Т 1/2 та λ
Т 1/2 U 238 = 4,5 · 10 6 років, Т 1/2 Ra = 1590 років, Т 1/2 Rn = 3,825 добу. Число розпадів в одиницю часу А = -dN/ dtназивається активністю даної радіоактивної речовини.
З
слід,
[А] = 1Беккерель = 1розпад/1с;
[А] = 1Кі = 1Кюрі = 3,7 · 10 10 Бк.
Закон зміни активності
де А 0 = λ N 0 - Початкова активність в момент часуt= 0;
А - активність у момент часуt.
Багато років тому люди ставили питання, з чого складаються всі речовини. Першим, хто спробував на нього відповісти, був давньогрецький вчений Демокріт, який вважав, що всі речовини складаються з молекул. Тепер відомо, що молекули будуються із атомів. Атоми складаються із ще дрібніших частинок. У центрі атома знаходиться ядро, у складі якого протони та нейтрони. Навколо ядра рухаються орбітами найдрібніші частинки – електрони. Їхня маса мізерно мала в порівнянні з масою ядра. А ось як знайти масу ядра, допоможуть лише розрахунки та знання хімії. Для цього потрібно визначити кількість в ядрі протонів та нейтронів. Подивитися табличні значення мас одного протону та одного нейтрону та знайти їх загальну масу. Це буде маса ядра.
Часто можна натрапити на таке питання, як знайти масу, знаючи швидкість. Згідно з класичними законами механіки, маса не залежить від швидкості тіла. Адже, якщо автомобіль, рушаючи з місця, починає набирати свою швидкість, це зовсім не означає, що його маса зростатиме. Проте, на початку ХХ століття Ейнштейн представив теорію, за якою ця залежність існує. Цей ефект називається релятивістське збільшення маси тіла. І проявляється він тоді, коли швидкості тіл наближаються до швидкості світла. Сучасні прискорювачі заряджених частинок дозволяють розігнати протони та нейтрони до таких великих швидкостей. І насправді в цьому випадку зафіксовано збільшення їхньої маси.
Але ми поки що живемо у світі високих технологій, але маленьких швидкостей. Тому, щоб знати, як розрахувати масу речовини, зовсім не потрібно розганяти тіло до швидкості світла і вчити теорію Ейнштейна. Масу тіла можна виміряти на терезах. Щоправда, не кожне тіло можна покласти на ваги. Тому є інший спосіб розрахунку маси за його щільністю.
Навколишнє повітря, повітря, яке так необхідне людству, теж має свою масу. І, вирішуючи завдання, як визначити масу повітря, наприклад, у кімнаті, необов'язково підраховувати кількість молекул повітря та підсумовувати масу їх ядер. Можна просто визначити об'єм кімнати та помножити його на щільність повітря (1,9 кг/м3).
Вчені в даний час з величезною точністю навчилися розраховувати маси різних тіл, від ядер атомів і до маси земної кулі і навіть зірок, що знаходяться від нас на відстані кілька сотень світлових років. Маса, як фізична величинає мірою інертності тіла. Більш масивні тіла, кажуть, інертніші, тобто повільніше змінюють свою швидкість. Тому все-таки швидкість і маса виявляються взаємопов'язаними між собою. Але головна особливість цієї величини – це те, що будь-яке тіло чи речовина має масу. Немає у світі тієї матерії, яка б не мала багато!
Заряд ядра
Ядро будь-якого атома заряджено позитивно. Носієм позитивного заряду є протон. Оскільки заряд протона чисельно дорівнює заряду електрона $e$, можна записати що заряд ядра дорівнює $+Ze$ ($Z$ -- ціле число, що свідчить про порядковий номер хімічного елемента в періодичної системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва). Число $Z$ також визначає кількість протонів в ядрі та кількість електронів в атомі. Тому його називають атомним номером ядра. Електричний заряд є однією з основних характеристик атомного ядра, від якого залежить оптичні, хімічні та інші властивості атомів.
Маса ядра
Іншою важливою характеристикою ядра є маса. Масу атомів і ядер прийнято виражати атомних одиницях маси (а.е.м.). за атомну одиницю маси прийнято вважати $1/12$ маси нукліду вуглецю $^(12)_6C$:
де $ N_A = 6,022 \ cdot 10 ^ (23) \ моль ^-1 $ - число Авогадро.
Відповідно до співвідношення Ейнштейна $E=mc^2$, масу атомів також виражають у одиницях енергії. Оскільки:
- маса протона $ m_p = 1.00728 а.е.м. = 938,28 МеВ $,
- маса нейтрона $ m_n = 1.00866 а.е.м. = 939,57 МеВ $,
- маса електрона $ m_e = 5,49 \ cdot 10 ^ (-4) \ а.е.м. = 0,511 \ МеВ $,
Як видно, маса електрона зневажливо мала в порівнянні з масою ядра, то маса ядра майже збігається з масою атома.
Маса відрізняється від цілих чисел. Маса ядра, виражена а.е.м. і округлена до цілого числа називається масовим числом, що позначається буквою $A$ і визначає кількість нуклонів в ядрі. Число нейтронів у ядрі дорівнює $ N = A-Z $.
Для позначення ядер застосовується символ $^A_ZX$, де $X$ має на увазі хімічний символ даного елемента. Атомні ядра з однаковою кількістю протонів, але різними масовими числами називають ізотопами. У деяких елементах кількість стабільних і нестабільних ізотопів досягає десятків, наприклад, уран має $14$ ізотопів: від $^(227)_(92)U\ $до $^(240)_(92)U$.
Більшість хімічних елементів існуючих у природі, є сумішшю декількох ізотопів. Саме наявність ізотопів пояснює той факт, що деякі природні елементи мають масу, яка відрізняється від цілих чисел. Наприклад, природний хлор складається з $75\%$ $^(35)_(17)Cl$ і $24\%$ $^(37)_(17)Cl$, яке атомна маса дорівнює $35,5$ а.е .м. у більшості атомів, крім водню, ізотопи мають майже однакові фізичні та хімічні властивості. Але за своїми виключно ядерними властивостями ізотопи суттєво різняться. Одні з них можуть бути стабільними, інші – радіоактивними.
Ядра з однаковими масовими числами, але різними значеннями $Z$ називають ізобарами, наприклад $^(40)_(18)Ar$, $^(40)_(20)Ca$. Ядра з однаковою кількістю нейтронів називають ізотонами. Серед легких ядер зустрічаються звані «дзеркальні» пари ядер. Це такі пари ядер, у яких числа $Z$ і $A-Z$ змінюються місцями. Прикладами таких ядер можуть бути $^(13)_6C$ і $^(13_7)N$ або $^3_1H$ і $^3_2He$.
Розмір атомного ядра
Вважаючи атомне ядро приблизно сферичним, можна запровадити поняття його радіуса $R$. Зазначимо, що у деяких ядрах є невелике відхилення від симетрії у розподілі електричного заряду. Крім того, атомні ядра не статичні, а динамічні системи, і поняття радіуса ядра не можна представляти як радіус кулі. З цієї причини за розміри ядра необхідно брати ту область, в якій проявляються ядерні сили.
При створенні кількісної теорії розсіювання $ alpha $ - частинок Еге. Резерфорд виходив з припущень, що атомне ядро і $ alpha $ - частка взаємодіють за законом Кулона, тобто. що електричне поле навколо ядра має сферичну симетрію. Розсіювання $\alpha $ -- частки відбувається у повній відповідності до формули Резерфорда:
Це має місце для $ \ alpha $ -- частинок енергія яких $ E $ досить мала. При цьому частка не здатна подолати кулоновський потенційний бар'єр і згодом не досягає сфери дії ядерних сил. Зі збільшенням енергії частки до деякого граничного значення $E_(гр)$ $\alpha $ - частка досягає цього кордону. Тога в розсіюванні $ \ alpha $ - Часток спостерігається відхилення від формули Резерфорда. Зі співвідношення
Досліди показують, що радіус $R$ ядра залежить від кількості нуклонів, що входять до складу ядра. Ця залежність може виражатися емпіричною формулою:
де $ R_0 $ - постійна, $ A $ - масове число.
Розміри ядер визначають експериментально розсіювання протонів, швидких нейтронів або електронів високих енергій. Існує низка інших непрямих методів визначення розмірів ядер. Вони обгрунтовані на зв'язку час життя $ alfa $ - радіоактивних ядер з енергією випущених ними $ alpha $ - частинок; на оптичних властивостях, так званих, мезоатомів, у яких один із електронів тимчасово захоплений мюоном; порівняно енергії зв'язку пари дзеркальних атомів. Ці методи підтверджують емпіричну залежність $R=R_0A^(1/3)$, а також за допомогою цих вимірювань встановлено значення постійної $R_0=\left(1,2-1,5right)cdot 10^(-15) \ м $.
Зазначимо також, що за одиницю відстаней в атомній фізиці та фізиці елементарних частинок беруть одиницю виміру «фермі», який дорівнює $(10)^(-15)\ м$ (1 ф=$(10)^(-15)\ м ) $.
Радіуси атомних ядер залежать від їх масового числа і знаходяться в проміжку від $2\dot 10^(-15)\ м\ до\ 10^(-14)\м$. якщо з формули $R=R_0A^(1/3)$ виразити $R_0$ і записати його у вигляді $\left(\frac(4\pi R^3)(3A)\right)=const$, то можна побачити що кожен нуклон припадає приблизно однаковий обсяг. Це означає, що щільність ядерної речовини для всіх ядер так само приблизно однакова. Виходячи з існуючих відомостей про розміри атомних ядер, знайдемо середнє значення густини речовини ядра:
Як бачимо, густина ядерної речовини дуже велика. Це зумовлено дією ядерних сил.
Енергія зв'язку. Дефект мас ядер
При порівнянні суми мас спокою нуклонів, які утворюють ядро з масою ядра, було помічено, що для всіх хімічних елементів справедлива нерівність:
де $m_p$ - маса протона, $m_n$ - маса нейтрона, $m_я$ - маса ядра. Величину $\triangle m$, що виражає різницю мас між масою нуклонів, що утворюють ядро, та масою ядра, називають дефектом маси ядра
Важливі відомості про властивості ядра можна отримати, не вникаючи в подробиці взаємодії між нуклонами ядра, на підставі закону збереження енергії та закону пропорційності маси та енергії. Оскільки в результаті будь-якої зміни маси $ triangle m $ відбувається відповідна зміна енергії $ triangle E $ ($ triangle E = triangle mc ^ 2 $), то при утворенні ядра виділяється певну кількість енергії. За законом збереження енергії таку кількість енергії потрібно, щоб розділити ядро на складові частки, тобто. віддалити нуклони один від одного на такі самі відстані, при яких відсутня взаємодія між ними. Цю енергію називають енергією зв'язку ядра.
Якщо ядро має $Z$ протонів і масове число $A$, то енергія зв'язку дорівнює:
Зауваження 1
Зазначимо, що цією формулою не дуже зручно скористатися, т.к. у таблицях наводиться не маси ядер, а маси, що визначають маси нейтральних атомів. Тому для зручності обчислень формулу перетворять таким чином, щоб до неї входили маси атомів, а не ядер. З цією метою у правій частині формули додамо і заберемо масу $Z$ електронів $(m_e)$. Тоді
\c^2==\leftc^2.\]
$m_(()^1_1H)$ - маса атома водню, $m_a$ - маса атома.
У ядерній фізиці енергію часто виражають у мегаелектрон-вольтах (МеВ). Якщо йдетьсяпро практичне застосування ядерної енергії, то її вимірюють у джоулях. У разі порівняння енергії двох ядер використовують масову одиницю енергії - співвідношення між масою та енергією ($E=mc^2$). Масова одиниця енергії ($le$) дорівнює енергії, що відповідає масі одну а.е.м. Вона дорівнює $931,502$ МеВ.
Малюнок 1.
Окрім енергії, важливе значення має питома енергія зв'язку - енергія зв'язку, яка припадає на один нуклон: $ w = E_ (св) / A $. Ця величина змінюється порівняно повільно порівняно зі зміною масового числа $A$, маючи майже постійну величину $8.6$ МеВ у середній частині періодичної системиі зменшується до країв.
Наприклад розрахуємо дефект маси, енергію зв'язку та питому енергію зв'язку ядра атома гелію.
Дефект маси
Енергія зв'язку в МеВ: $ E_ (св) = triangle m cdot 931,502 = 0,030359 cdot 931,502 = 28,3 МеВ $;
Питома енергія зв'язку: $w=\frac(E_(св))(A)=\frac(28,3\ МеВ)(4\approx 7.1\ МеВ).
Як знайти масу ядра атома? і отримав найкращу відповідь
Відповідь від NiNa Martushova[гуру]
А = число р + число n. Тобто вся маса атома зосереджена в ядрі, тому що електрон має мізерно малу масу, що дорівнює 11800 а. е. м., тоді як протон і нейтрон мають масу кожен 1атомну одиницю маси. Відносна атомна маса тому дробове число, що є середньою арифметичною величиною атомних мас всіх ізотопів даного хімічного елемента, з урахуванням їх поширеності в природі.
Відповідь від Єєхмет[гуру]
Взяти масу атома та відняти масу всіх електронів.
Відповідь від Володимир Соколов[гуру]
Підсумуй масу всіх протонів та нейтронів у ядрі. Отримаєш масу в аєм.
Відповідь від Дашка[Новичок]
таблиця Менделєєва на допомогу
Відповідь від Анастасія Дуракова[активний]
Знайди в таблиці Менделєєва значення відносної маси атома, що округлить її до цілого числа, - це і буде маса ядра атома. Маса ядра або масове число атома складається з протонів і нейтронів в ядрі
А = число р + число n. Тобто вся маса атома зосереджена в ядрі, тому що електрон має мізерно малу масу, що дорівнює 11800 а. е. м., тоді як протон і нейтрон мають масу кожен 1атомну одиницю маси. Відносна атомна маса тому дробове число, що є середньою арифметичною величиною атомних мас всіх ізотопів даного хімічного елемента, з урахуванням їх поширеності в природі. таблиця Менделєєва на допомогу
Відповідь від 3 відповіді[гуру]
Привіт! Ось добірка тем із відповідями на Ваше запитання: Як знайти масу ядра атома?
