Валентность

Внешняя электронная оболочка атома, если она не полностью заполнена, называется валентной оболочкой, а электроны этой оболочки называются валентными электронами. Число валентных электронов определяет то, как атом связывается с другими атомами посредством химической связи. Путём образования химических связей атомы стремятся заполнить свои внешние валентные оболочки.

Чтобы показать повторяющиеся химические свойства химических элементов, их упорядочивают в виде периодической таблицы (таблицы Менделеева). Элементы с одинаковым числом валентных электронов формируют группу, которая изображается в таблице в виде столбца (движение по горизонтальному ряду соответствуют заполнению валентной оболочки электронами). Элементы, находящиеся в самом правом столбце таблицы, имеют полностью заполненную электронами внешнюю оболочку, поэтому они отличаются крайне низкой химической активностью и называются инертными или благородными газами.

Строение атомного ядра

Из предыдущего (см. § 201) мы знаем, что массы атомов, а значит, и массы атомных ядер очень близки всегда к целому числу атомных единиц массы. Напрашивается вывод, что атомные ядра построены из частиц приблизительно единичной массы. Такими частицами являются протон и нейтрон. На первый взгляд кажется, что, помимо нейтронов и протонов, ядра должны содержать также позитроны и электроны, ибо многие ядра (ядра радиоактивных изотопов) испускают эти частицы. Однако детальный анализ различных свойств ядер заставляет признать, что в них отсутствуют как таковые и позитроны, и электроны.

Так, некоторые искусственно-радиоактивные вещества (например, изотоп меди 6429Cu) излучают два рода частиц — позитроны и электроны. Часть атомных ядер такого вещества при распаде превращается в предыдущий элемент периодической системы с испусканием позитрона, тогда как другая часть ядер того же вещества превращается в следующий элемент с испусканием электрона. Ядра такого вещества, казалось бы, должны содержать в своем составе как позитроны, так и электроны. Но одновременное существование позитронов и электронов в объеме ядра противоречит свойству этих частиц объединяться, превращаясь в пару g-квантов.

Но если позитроны и электроны в готовом виде в ядре не присутствуют, то, очевидно, в процессе распада ядра, сопровождающегося вылетом одной из этих частиц, они образуются заново за счет превращений внутри ядра. При этом при вылете позитрона (положительного заряда) один из протонов превращается в нейтрон, а при вылете электрона (отрицательного заряда), наоборот, один из нейтронов делается протоном. Допущение об образовании электронов и позитронов при радиоактивном распаде тем более естественно, что образование этих частиц наблюдается, как упоминалось в § 223, и в других процессах.

Идея о строении атомных ядер из протонов и нейтронов вскоре после открытия нейтрона была высказана советским физиком Дмитрием Дмитриевичем Иваненко (р. 1904) и немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901 —1976). Справедливость протонно-нейтронной модели ядра была доказана работами ряда ученых.

Поскольку массовое число протона и нейтрона есть единица, массовое число ядра равно полному числу частиц (протонов и нейтронов) в составе ядра. Заряд же ядра, выраженный в элементарных единицах, равен, очевидно, числу протонов в ядре. Таким образом, согласно протонно-нейтронной модели, атомное ядро с массовым числом A и зарядом Z содержит в своем составе А частиц, в том числе Z протонов и А—Z нейтронов. Так, например, ядро кислорода 168О состоит из 8 протонов и 16—8=8 нейтронов. Ядро изотопа свинца 20682Pb содержит 82 протона и 206—82=124 нейтрона и т. д.

Простейшим атомным ядром является ядро водорода, т. е. протон. Присоединяя к протону нейтрон, получим самое простое из составных ядер — дейтрон, или ядро тяжелого водорода (обозначается 21Н или D).

Прибавляя еще один нейтрон, образуем ядро еще более тяжелого изотопа водорода, называемого тритием (31Н, или Т). Тритий относится к числу искусственно-радиоактивных веществ; он распадается с периодом полураспада около 12 лет, испуская электроны. В результате распада трития образуется ядро с массовым числом 3 и зарядом 2 — легкий изотоп гелия 32Не, состоящий из двух протонов и нейтрона. Этот изотоп устойчив и содержится в очень малой пропорции в природном гелии. Ядро основного изотопа гелия |Не (a-частица) образуется добавлением еще одного нейтрона, a-частица содержит, таким образом, два протона и два нейтрона.

Продолжая увеличивать число нейтронов и протонов в ядре, мы получим все существующие атомные ядра. Состав наиболее легких ядер (до кислорода включительно) указан на диаграмме рис. 401. Как видно из диаграммы, устойчивые (нерадиоактивные) легкие ядра содержат примерно равные количества нейтронов и протонов.

В тяжелых ядрах имеется некоторый перевес в числе нейтронов; так, в ядре свинца нейтронов примерно в полтора раза больше, чем протонов. Соотношение чисел нейтронов и протонов, которое осуществляется в устойчивых ядрах, является наиболее выгодным, придающим ядру наибольшую прочность. Отступления от этого соотношения делают ядро неустойчивым. Если в ядре слишком много нейтронов, то один из нейтронов превращается в протон, т. е. ядро распадается с испусканием электрона (пример: 104Be®105B+e-+n). Напротив, если в ядре избыток протонов, то один из протонов превращается в нейтрон, испуская позитрон (пример: 106С®105B+e++n).

Поскольку ядерные частицы — протоны и нейтроны — прочно удерживаются в ядрах, между ними должны действовать силы притяжения. Эти силы должны быть достаточно велики, чтобы противостоять грандиозным силам взаимного электростатического отталкивания протонов, сближенных на расстояние порядка размеров ядра (10-14— 10-15 м). Особые силы, возникающие при сближении ядерных частиц (протонов, нейтронов) на малые расстояния и связывающие эти частицы в ядра, получили название ядерных сил.

С действием ядерных сил мы встречались уже при изучении захвата медленных нейтронов ядрами (§221). Ядерные силы проявляются и во всех других ядерных процессах