§ 11. Склад атомних ядер. Атомний номер елемента — заряд ядра його атома
На теперішній час у ядрі атома відкрито такі найважливіші елементарні частинки, як протони (позначають символом р) і нейтрони (позначають символом гі). Вони є різними станами однієї частинки — нуклона.
Різновид атомних ядер з певним числом протонів і нейтронів називають нуклідом.
Відомості про основні частинки, що входять до складу атома, наведено в таблиці 4.
Основні частинки, які утворюють атом
Автор і рік відкриття
Масове число
Протон — стабільна елементарна частинка з позитивним електричним зарядом +1 в одиницях елементарного електричного заряду й масою, що дорівнює 1 а.о.м. (або 1,66 · 10 -27 кг).
Існування протона передбачив і дав йому назву Е. Резерфорд.
Нейтрон — електрично нейтральна елементарна частинка також масою 1 а.о.м.
Невдовзі після відкриття нейтрона український учений Д. Д. Іваненко вперше запропонував протонно-нейтронну модель будови ядра атома, яку в подальшому розвинув німецький фізик В. Гейзенберг.
Відповідно до цієї моделі сумарна кількість протонів Ζ і нейтронів N у ядрі атома певного елемента дорівнює цілочисловому округленому значенню атомної маси, яке називають масовим, або нуклонним, числом атома А:
Масове число = число протонів + число нейтронів.
Оскільки маса кожного протона та нейтрона приблизно дорівнює 1 а.о.м., а маса електрона дуже мала, то масове число атома приблизно дорівнює його відносній атомній масі.
Число протонів у ядрі характеризує його заряд і дорівнює атомному (порядковому) номеру хімічного елемента, або протонному числу Ζ:
За цією формулою можна визначити число нейтронів:
Нуклонне та протонне числа позначають відповідно верхнім і нижнім індексами ліворуч від символу елемента, наприклад:
Через те що позитивний заряд протона й негативний заряд електрона однакові за абсолютним значенням, в атомі як в електронейтральній частинці число електронів в оболонці завжди дорівнює числу протонів у ядрі. Таким чином, позитивний заряд ядра визначає число електронів в електронній оболонці атома й тим самим усі властивості елемента, а також місце його розташування в періодичній системі. У цьому полягає фізичний зміст атомного номера елемента:
атомний номер елемента = числу протонів у ядрі = заряду ядра атома = числу електронів в атомі.
Отже, атом складається з ядра та електронів; ядро (нуклід), у свою чергу, складається з протонів та нейтронів і має позитивний заряд. Нуклідом називають різновид атомів.
Дмитро Дмитрович Іваненко
Видатний фізик-теоретик XX ст., автор протонно-нейтронної моделі атомного ядра. Народився в Полтаві. Навчався в Полтавському педагогічному інституті й Харківському університеті.
У 1929 р. очолив теоретичний відділ Українського фізико-технічного інституту. У 1930-1931 рр. — професор Харківського університету, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту.
Ім’я Д. Д. Іваненка назавжди ввійшло в історію світової науки.
Приклад розв’язування задач
Скільки електронів, протонів і нейтронів міститься в атомі Йоду 127 І?
Йод має атомний номер 53, отже, атом Йоду містить 53 протони та 53 електрони. Визначимо число нейтронів у ядрі атома 127 І:
Відповідь: 53 електрони, 53 протони, 74 нейтрони.
Запитання та завдання
°1. Які елементарні частинки атома є різними станами однієї частинки — нуклона?
°2. Яку елементарну частинку атома називають протоном? нейтроном? Який заряд та яка маса кожної з них?
3. У чому сутність протонно-нейтронної моделі будови ядра атома? Який учений уперше її запропонував?
°4. Що таке масове, або нуклонне, число атома? За якою формулою його обчислюють?
5. Чому приблизно дорівнює масове число атома?
6. Що таке протонне число? Чому воно дорівнює?
7. Чому атом є електронейтральною частинкою?
8. Чому дорівнює число електронів в електронній оболонці атома?
9. У чому полягає фізичний зміст атомного номера елемента?
10. Атом Карбону містить 6 електронів. Чому дорівнює заряд: а) атома Карбону; б) ядра атома Карбону?
11. Ядро атома хімічного елемента містить два протони й два нейтрони. Запишіть позначення цього атома: укажіть хімічний символ, атомний номер (протонне число) і масове (нуклонне) число.
12. Скільки протонів і нейтронів містяться в ядрах атомів: а) Хлору; б) Цинку?
§ 9. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне й нуклонне числа
УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця ХІХ ст. панувала думка про те, що атом не підлягає поділу на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так.
Радіоактивність — самочинний розпад нестійких атомних ядер, який супроводжується радіоактивним випромінюванням.
МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 17) розробив Джозеф Джон Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив у складі атома електрони.
Мал. 17. Модель будови атома Томсона
За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об’єму кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому нейтральний. Маса атома теж рівномірно розподілена в цьому об’ємі.
Модель Томсона проіснувала в науці недовго. Через кілька років її спростував англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі результатів власних експериментальних досліджень. Пропускаючи прямолінійно потік позитивно заряджених частинок із масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, деяка частина відхиляється під певними кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 частина відскакує назад (мал. 18).
Мал. 18. Відхилення позитивно зарядженої частинки від ядра
Поведінку однієї з десяти тисяч частинок у цьому досліді вчений пояснив таким чином. Оскільки частинки мали позитивний заряд, то відштовхувати (відкидати назад) їх могли інші частинки — також позитивно заряджені. Однойменні заряди, як вам відомо, відштовхуються. Такі результати досліду поставили під сумнів модель Томсона, бо доводили, що більшість атомного простору не несе позитивного заряду, він сконцентрований в одному місці й займає дуже малий об’єм. На цій підставі зроблено висновок, що атоми складаються з позитивно зарядженої серцевини — ядра, та негативно заряджених частинок — електронів, розміщених за його межами. Тому Е. Резерфорд запропонував у 1911 р. нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.
ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За моделлю весь позитивний заряд і майже всю масу атома (99,4 %) зосереджено в атомному ядрі. Розмір ядра надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атома. Навколо ядра коловими або еліптичними орбітами, як планети навколо Сонця (звідси походить назва моделі), безупинно рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома.
Заряд електрона — найменший з усіх відомих зарядів (докладніше про це ви дізнаєтесь на уроках фізики), його абсолютним значенням користуються вкрай рідко. Здебільшого використовують умовний заряд -1. Позитивний заряд ядра дорівнює сумарному негативному заряду електронів, тому атом у цілому (заряд дорівнює нулю) залишається електронейтральним (мал. 19).
Мал. 19. Модель атома Резерфорда
У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони — позитивно заряджені частинки, за рахунок яких ядро має позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, правда, у порівнянні з ним вона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +1, а електрона — -1.
Сьогодні вчені, студенти й учні знають, що, крім протонів, до складу ядра входять нейтрони. Теоретичне припущення про наявність нейтронів у ядрі висловив у 1932 р. відомий фізик Дмитро Дмитрович Іваненко. У 1933 р. він виголосив доповідь про протонно-нейтронну структуру ядра атома, у якій спирався на те, що в ядрі є важкі частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів і електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їх назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка мало експериментальне підтвердження в дослідах англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974), за що в 1935 р. він був удостоєний Нобелівської премії.
Сторінка ерудита
Дмитро Дмитрович ІВАНЕНКО (1904-1994) — видатний фізик-теоретик, який зробив фундаментальний внесок у розвиток багатьох розділів ядерної фізики, теорії поля та теорії гравітації. Блискучий викладач кількох вищих навчальних закладів СРСР, у тому числі й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав у 1932 р. (у 27 років!), коли першим на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтроннну модель атомного ядра.
Дмитро Дмитрович Іваненко
Народився 29 липня 1904 р. в Полтаві в сім’ї редактора та вчительки. У 1920 р. закінчив гімназію в Полтаві, де його жартома називали «професором». Першу вищу освіту здобув на фізико-математичному факультеті Полтавського педагогічного інституту, у 1923-1927 рр. навчався в Ленінграді. У 30-ті роки — науковий співробітник Фізико-математичного інституту АН СРСР, завідувач теоретичного відділу Українського фізико-технічного інституту в Харкові, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту, професор Харківського університету. У 1940 р. захистив докторську дисертацію на тему «Основи теорії ядерних сил» і продовжував займатись теоретичною фізикою, а також очолив кафедру теоретичної фізики в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. З 1943 р. й до останніх років свого життя — професор фізичного факультету Московського державного університету (МДУ) імені М. В. Ломоносова.
Наукові заслуги вченого високо оцінили нобелевські лауреати: П. Дірак, Х. Юкава, Н. Бор, І. Пригожин і С. Тінг, які спілкувалися з ним і залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Д. Д. Іваненка на фізичному факультеті МДУ імені М. В. Ломоносова.
Попрацюйте групами
Сестра Дмитра Дмитровича Іваненка Оксана ІВАНЕНКО (1906-1997) — відома українська письменниця.
Пригадайте, які з її творів — оповідання, повісті або літературні казки — вам відомі (вивчали у школі). У вільну хвилину поцікавтеся більше її творчістю, поділіться враженнями від прочитаного з однокласниками.
Подальше вивчення будови атома у ХХ ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони і протони містяться в атомному ядрі й визначають масу атома. Так сформувалися сучасні погляди на склад і будову атома. Узагальнимо їх.
СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА СКЛАД І БУДОВУ АТОМА. Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. До складу ядра входять: позитивно заряджені протони, незаряджені (нейтральні) нейтрони. Негативно заряджені електрони перебувають у безупинному русі й формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати 1 +1p , нейтрони — 1 0n , електрони — e – (мал. 20).
Мал. 20. Модель і схема будови атома
Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.
Усі складові атома мають надзвичайно малу масу, до того ж маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона, тоді як маса електрона в 1836 разів менша від маси протона. Тому в науці масу протона і нейтрона прийнято за 1, на підставі чого маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складові вміщено в таблиці 8.
Складові атома
Частинка та її розміщення в атомі
Відносна маса (а.о.м.)
Абсолютна маса, кг
Заряд (в одиницях елементарного заряду)