1.2. Строение и характеристики атомов

Атомы различных химических элементов отличаются прежде всего по их массе, и атомная масса в какой-то мере определяет периодичность повто­рения химических свойств различных атомов. Однако массовое число A не является однозначной характеристикой всех свойств атомов любых веществ.

Действительной характеристикой, определяющей физико-химическую индивидуальность атома вещества, является его атомный номер (z) в от­крытой Д.И.Менделеевым Периодической Системе элементов. Называя атомный номер элемента z, мы фактически называем сам этот элемент, об атомах которого идёт речь.

Например, если z = 6, нам ясно, что речь идет об углероде (С), а если z = 92, это равносильно тому, что элемент назван ураном (U), и т.д.

Поэтому атомный номер элемента z - характеристика, равноценная при­нятому химическому символу атомов вещества.

Массовое число A и атомный номер z элемента - пара характе­ристик, полностью определяющих физико-химическую индивидуальность ато­мов любого вещества.

Атомная теория раскрывает физический смысл этих характеристик в следующих основных положениях:

а) Все атомы состоят из положительно заряженного ядра и обращаю­щихся вокруг него отрицательно заряженных частиц - электронов.

б) Электрический заряд электрона q_e = - 1.6022 ^.10^-19 Кл - наимень­ший электрический заряд, обнаруженный экспериментально, и это дало по­вод назвать его элементарным зарядом, а заряды других частиц и струк­тур на микроуровне - измерять в элементарных зарядах.

в) Атомный номер элемента z - есть не что иное, как суммарное ко­личество электронов в атоме.

г) Поскольку устойчивый атом любого химического элемента электро­нейтрален, отрицательный заряд электронных оболочек в атоме нейтрали­зуется равным по величине положительным зарядом ядра. Поэтому другое представление об атомном номере состоит в том, что атомный номер хими­ческого элемента - это положительный заряд ядра его атома, выражен­ный в величинах элементарных электрических зарядов (то есть в зарядах электрона).

д) Масса покоя одиночного электрона m_е = 9.1095^.10^-28 г, что соот­ветствует приблизительно 5.486^.10^-4 а.е.м. Разница в порядках величин масс всего атома (от единицы до сотен а.е.м.) и электронов в нём (от 5.486^.10^-4 до величин порядка 10^-2 а.е.м.), которая, как видно из при­веденных цифр, составляет четыре порядка, приводит к выводу о том, что практически вся масса атома (более 99.9%) сосредоточена в его ядре.

е) Размеры атомов, найденные в экспериментах, выполненных по раз­личным методикам, имеют порядок 10^-8 см, а размеры ядер атомов - величины порядка 10^-13 см. Эти цифры свидетельствуют о том, что ядро занимает ничтожную часть объёма атома.

Если под объёмом ядра понимать сферу, в пределах которой эффек­тивно действуют ядерные силы, радиус этой сферы можно оценить по полу­эмпирической формуле:

R_я  1.21^.10^-13 , см, . (1.4)

где А, а.е.м. - атомная масса элемента.

1.3. Строение ядер и свойства ядерных сил

1.3.1. Ядро любого атома имеет сложную структуру и состоит из час­тиц, называемых нуклонами. Известно два типа нуклонов - протоны и нейтроны.

Протоны - нуклоны массой 1 а.е.м. с положительным зарядом, равным единице, то есть величине элементарного заряда (электрона).

Нейтроны - электронейтральные нуклоны массой 1 а.е.м.

*) Строго говоря, массы покоя протонов и нейтронов несколько от­личаются: m_р= 1.6726 ^.10^-24 г m_n= 1.67439 ^.10^-24 г. Об этом различии - речь впереди.

1.3.2. Так как масса ядра практически равна A, заряд ядра - z, а массы протона и нейтрона практически равны, при таких представлениях следует принять как должное, что ядро устойчивого электронейтрального атома состоит из z протонов и (A - z) нейтронов. Следовательно, атом­ный номер элемента - есть не что иное как протонный заряд ядра атома, выраженный в единицах элементарного заряда электрона. Другими словами, z - это число протонов в ядре атома.

1.3.3. Наличие в ядре протонов (частиц с электрическим зарядом од­ного знака) вследствие кулоновских сил отталкивания между ними должно было бы привести к разлёту нуклонов. В реальности этого не происходит. Существование в природе множества устойчивых ядер приводит к выводу о существовании между нуклонами ядра более мощных, чем кулоновы, ядерных сил притяжения, которые, преодолевая кулоновское отталкивание протонов, стягивают нуклоны в устойчивую структуру - ядро.

1.3.4. Размеры ядер атомов, определенные по формуле (1.4), есть величины порядка 10^-13 см. Отсюда первое свойство ядерных сил (в отли­чие от кулоновых, гравитационных и других) - короткодействие: ядерные силы действуют только на малых расстояниях, сравнимых по величине с размерами самих нуклонов.

Даже не зная точно, что за материальное образование представляет собой протон или нейтрон, можно оценить их эффективные размеры как ди­аметр сферы, на поверхности которой ядерное притяжение двух соседних протонов уравновешивается их кулоновским отталкиванием. Эксперименты на ускорителях по рассеянию ядрами электронов позволили оце­нить эффективный радиус нуклона R_н  1.21 ^.10^-13 см.

1.3.5. Из короткодействия ядерных сил вытекает второе их свойс­тво, кратко именуемое насыщением. Это означает, что любой нуклон ядра взаимодействует не со всеми другими нуклонами, а лишь с ограниченным числом нуклонов, являющихся его непосредственными соседями. Число таких соседей у нуклона не может быть больше 12.

1.3.6. Третье свойство ядерных сил - их равнодействие. Поскольку считается, что ядерные силы взаимодействия между нуклонами обоих видов являются силами одной природы, предполагается, что на расстояниях по­рядка 10^-13 см два протона, два нейтрона или протон с нейтроном взаимо­действуют одинаково (разумеется, речь о ядерных взаимодействия; кулоновы силы отталкивания протонов при этом «выводятся за скобки», то есть не принимаются во внимание).

1.3.7. Протон в свободном состоянии (то есть вне атомных ядер) стабилен. Нейтрон в свободном состоянии длительно существовать не мо­жет, он претерпевает распад на протон, электрон и антинейтрино с пери­одом полураспада T_1/2 = 11.2 мин. по схеме:

*) Антинейтрино ( ) - электронейтральная частица материи с нулевой массой покоя.

1.3.8. Итак, любое ядро считается полностью индивидуализирован­ным, если известны две его основные характеристики - число протонов z и массовое число A, поскольку разница (A - z) определяет число нейтро­нов в ядре. Индивидуализированные ядра атомов принято в общем случае называть нуклидами.

Среди множества нуклидов (а их в настоящее время известно более 2000 - естественных и искусственных) есть такие, у которых одна из двух упомянутых характеристик одинакова, а другая – различна по величине.

Нуклиды с одинаковым z (числом протонов) называют изотопами. Пос­кольку атомный номер определяет в соответствии с Периодическим Зако­ном Д.И.Менделеева индивидуальность только химических свойств атома элемента, об изотопах всегда говорят со ссылкой на символ соответству­ющего им химического элемента в Периодической Системе.

Например, ²³³U, ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁶U, ²³⁸U, ²³⁹U - все это изотопы урана, который в Периодической Системе элементов Д.И.Менделеева имеет порядковый номер z = 92.

Изотопы любого химического элемента, как видим, имеют равное чис­ло протонов, но различные числа нейтронов.

Нуклиды равной массы (A), но с различными зарядами z называют изобарами.

Изобары, в отличие от изотопов, - нуклиды различных хими­ческих элементов.

Примеры: и - изобары нуклидов бора и углерода; и - изобары нуклидов лития и бериллия; , и - также являются изобарами йода, ксенона и цезия соответственно.

1.3.9. Из формулы (1.4) можно оценить плотность нуклонов в яд­рах и массовую плотность ядерного вещества. Если считать ядро сферой с ради­усом R и количеством нуклонов в ее объёме, равным A, число нуклонов в единице объёма ядра найдётся как

N_н = A/V_я = 3А/4R³ = 3А/4(1.21 ^.10^-13A ^1/3)³ = 1.348 ^.10³⁸ нукл/см³,

а, так как масса одного нуклона равна 1 а.е.м. = 1.66056^.10^-24 г, то плотность ядерного вещества будет

_яв = N_нm_н = 1.348 ^.10³⁸ .1.66056 ^.10^-24 = 2.238 ^.10¹⁴ г/см³.= 223.8 Мт/см³

Порядок приведенного расчёта свидетельствует о том, что плотность ядерного вещества одинакова в ядрах всех химических элементов.

Объём. приходящийся на 1 нуклон в ядре,

V_я/A = 1/N_н = 1/1.348 ^.10³⁸ = 7.421 ^.10^-39см³

также одинаков для всех ядер, поэтому среднее расстояние между центрами соседних нуклонов в любом ядре (которое можно условно назвать средним диаметром нуклона) будет равно

D_н = (V_я)^1/3 = (7.421 ^.10^-39)^1/3 = 1.951 ^.10^-13 см.