Заряд атома определяется числом. Строение и заряд ядра атома

Исследуя прохождение α-частицы через тонкую золотую фольгу (см. п. 6.2), Э. Резерфорд пришёл к выводу о том, что атом состоит из тяжёлого положительного заряженного ядра и окружающих его электронов.

Ядром называется центральная часть атома , в которой сосредоточена практически вся масса атома и его положительный заряд .

В состав атомного ядра входят элементарные частицы : протоны и нейтроны (нуклоны от латинского слова nucleus – ядро ). Такая протонно-нейтронная модель ядра была предложена советским физиком в 1932 г. Д.Д. Иваненко. Протон имеет положительный заряд е + =1,06·10 –19 Кл и массу покоя m p = 1,673·10 –27 кг = 1836m e . Нейтрон (n ) – нейтральная частица с массой покоя m n = 1,675·10 –27 кг = 1839m e (где масса электрона m e , равна 0,91·10 –31 кг). На рис. 9.1 приведена структура атома гелия по представлениям конца XX - начала XXI в.

Заряд ядра равен Ze , где e – заряд протона, Z – зарядовое число , равное порядковому номеру химического элемента в периодической системе элементов Менделеева, т.е. числу протонов в ядре. Число нейтронов в ядре обозначается N . Как правило Z > N .

В настоящее время известны ядра с Z = 1 до Z = 107 – 118.

Число нуклонов в ядре A = Z + N называется массовым числом . Ядра с одинаковым Z , но различными А называются изотопами . Ядра, которые при одинаковом A имеют разные Z , называются изобарами .

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом , где X – символ химического элемента. Например: водород Z = 1 имеет три изотопа: – протий (Z = 1, N = 0), – дейтерий (Z = 1, N = 1), – тритий (Z = 1, N = 2), олово имеет 10 изотопов и т.д. В подавляющем большинстве изотопы одного химического элемента обладают одинаковыми химическими и близкими физическими свойствами. Всего известно около 300 устойчивых изотопов и более 2000 естественных и искусственно полученных радиоактивных изотопов .

Размер ядра характеризуется радиусом ядра, имеющим условный смысл ввиду размытости границы ядра. Ещё Э. Резерфорд, анализируя свои опыты, показал, что размер ядра примерно равен 10 –15 м (размер атома равен 10 –10 м). Существует эмпирическая формула для расчета радиуса ядра:

где R 0 = (1,3 – 1,7)·10 –15 м. Отсюда видно, что объём ядра пропорционален числу нуклонов.

Плотность ядерного вещества составляет по порядку величины 10 17 кг/м 3 и постоянна для всех ядер. Она значительно превосходит плотности самых плотных обычных веществ.

Протоны и нейтроны являются фермионами , т.к. имеют спин ħ /2.

Ядро атома имеет собственный момент импульса – спин ядра :

,

(9.1.2)

где I – внутреннее (полное ) спиновое квантовое число.

Число I принимает целочисленные или полуцелые значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2 и т.д. Ядра с четными А имеют целочисленный спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Бозе –Эйнштейна (бозоны ). Ядра с нечетными А имеют полуцелый спин (в единицах ħ ) и подчиняются статистике Ферми –Дирака (т.е. ядра – фермионы ).

Ядерные частицы имеют собственные магнитные моменты, которыми определяется магнитный момент ядра в целом. Единицей измерения магнитных моментов ядер служит ядерный магнетон μ яд:

Здесь e – абсолютная величина заряда электрона, m p – масса протона.

Ядерный магнетон в m p /m e = 1836,5 раз меньше магнетона Бора, отсюда следует, что магнитные свойства атомов определяются магнитными свойствами его электронов .

Между спином ядра и его магнитным моментом имеется соотношение:

где γ яд – ядерное гиромагнитное отношение .

Нейтрон имеет отрицательный магнитный момент μ n ≈ – 1,913μ яд так как направление спина нейтрона и его магнитного момента противоположны. Магнитный момент протона положителен и равен μ р ≈ 2,793μ яд. Его направление совпадает с направлением спина протона.

Распределение электрического заряда протонов по ядру в общем случае несимметрично. Мерой отклонения этого распределения от сферически симметричного является квадрупольный электрический момент ядра Q . Если плотность заряда считается везде одинаковой, то Q определяется только формой ядра. Так, для эллипсоида вращения

,

(9.1.5)

где b – полуось эллипсоида вдоль направления спина, а – полуось в перпендикулярном направлении. Для ядра, вытянутого вдоль направления спина, b > а и Q > 0. Для ядра, сплющенного в этом направлении, b < a и Q < 0. Для сферического распределения заряда в ядре b = a и Q = 0. Это справедливо для ядер со спином, равным 0 или ħ /2.

Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:

Атомы любых веществ являются электрически нейтральными частицами. Атом состоит из ядра и совокупности электронов. Ядро несет положительный заряд, суммарный заряд которого равен сумме зарядов всех электронов атома.

Общие сведения о заряде ядра атома

Заряд ядра атома определяет местоположение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и соответственно химические свойства вещества, состоящего их этих атомов и соединений этих веществ. Величина заряда ядра равна:

где Z - номер элемента в таблице Менделеева, e - величина заряда электрона или .

Элементы с одинаковыми числами Z, но разными атомными массами называют изотопами. Если элементы имеют одинаковые Z, то у них ядро имеет равное число протонов, а если атомные массы различны, то число нейтронов в ядрах этих атомов разное. Так, у водорода имеется два изотопа: дейтерий и тритий.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода. Протон - это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

Масса покоя протона () примерно равна:

Подробнее о протоне можно узнать, прочитав раздел «Заряд протона».

Эксперименты по измерению заряда ядра

Первым заряды ядер измерил Мозли в 1913 г. Измерения были косвенными. Ученый определил связь между частотой рентгеновского излучения () и зарядом ядра Z.

где C и B - постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра измерил Чедвик в 1920 г. Он проводил рассеивание - частиц на металлических пленках, по сути, повторяя опыты Резерфорда, которые привели Резерфорда к построению ядерной модели атома.

В этих экспериментах - частицы пропускались через тонкую металлическую фольгу. Резерфорд выяснил, что в большинстве случаев частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на малые углы от первоначального направления движения. Это объясняется тем, что - частицы отклоняются под воздействием электрических сил электронов, которые имеют значительно меньшую массу, чем - частицы. Иногда, довольно редко - частицы отклонялись на углы превышающие 90 o . Этот факт Резерфорд объяснил наличием в атоме заряда, который локализован в малом объеме, и этот заряд связан с массой, которая много больше, чем у - частицы.

Для математического описания результатов своих экспериментов Резерфорд вывел формулу, которая определяет угловое распределение - частиц после их рассеяния атомами. При выводе этой формулы ученый использовал закон Кулона для точечных зарядов и при этом считал, что масса ядра атома много больше, чем масса - частицы. Формулу Резерфорда можно записать как:

где n - количество рассеивающих ядер на единицу площади фольги; N - число - частиц, которые проходят за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярно к направлению потока - частиц; - количество частиц, которые рассеиваются внутри телесного угла - заряд центра рассеяния; - масса - частицы; - угол отклонения - частиц; v - скорость - частицы.

Формулу Резерфорда (3) можно использовать для того, чтобы найти заряд ядра атома (Z), если провести сравнение числа падающих - частиц (N) с числом (dN) частиц рассеянных под углом , то функция будет зависеть только от заряда рассеивающего ядра. Проводя опыты и применяя формулу Резерфорда Чедвик нашел заряды ядер платины, серебра и меди.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Пластину из металла облучают - частицами, имеющими большую скорость. Некоторая часть этих частиц при упругом взаимодействии с ядрами атомов металла изменяет направление своего движения на противоположное. Каков заряд ядра атомов металла (q), если минимальное расстояние сближения частицы и ядра равно r. Масса - частицы равна ее скорость v. При решении задачи релятивистскими эффектами можно пренебречь. Частицы считать точечными, ядро неподвижным и точечным.
Решение	Сделаем рисунок. Двигаясь в направлении ядра атома - частица преодолевает силу Кулона, отталкивающую ее от ядра, так как частица и ядро имеют положительные заряды. Кинетическая энергия движущейся - частицы переходит в потенциальную энергию взаимодействия ядра атома металла и - частицы. За основу решения задачи следует принять закон сохранения энергии.: Потенциальную энергию точечных заряженных частиц найдем как: где заряд - частицы равен: , так как и - частиц - это ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов, , так как будем считать, что эксперимент проводят в воздухе. Кинетическая энергия - частицы до соударения с ядром атома равна: В соответствии с (1.1) приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем: Из формулы (1.4) выразим заряд ядра:
Ответ

Строение атома – это одна из базовых тем курса химии, которая основана на знании пользоваться таблицей «Периодическая система химических элементов Д.И.Менделеева». Это не только классифицированные и расположенные по определенным законам химические элементы, но и кладезь информации, в том числе и о строении атома . Зная особенности чтения этого неповторимого справочного материала, дозволено дать полную добротную и количественную колляцию атому.

Вам понадобится

• Таблица Д.И.Менделеева

Инструкция

1. В таблице Д.И.Менделеева, как в многоэтажном многоквартирном доме «живут» химические элементы, весь из которых занимает свою собственную квартиру. Таким образом, всякий из элементов имеет определенный порядковый номер, указанный в таблице. Нумерация химических элементов начинается слева направо, причем сверху. В таблице горизонтальные ряды именуются периодами, а вертикальные столбцы – группами. Это немаловажно, так как по номеру группы либо периода дозволено также дать колляцию некоторым параметрам атома .

2. Атом представляет собой химически неделимую частицу, но при этом состоящую из больше мелких комбинированных частей, к которым дозволено отнести протоны (правильно заряженные частицы), электроны (заряжены негативно) и нейтроны (нейтральные частицы). Основная масса атома сфокусирована в ядре (за счет протонов и нейтронов), вокруг которого вращаются электроны. В совокупности атом электронейтрален, то есть в нем число правильных зарядов совпадает с числом негативных, следственно, число протонов и электронов идентично. Правильный заряд ядра атома имеет место быть как раз за счет протонов.

3. Нужно запомнить, что порядковый номер химического элемента количественно совпадает с зарядом ядра атома . Следственно, дабы определить заряд ядра атома нужно посмотреть, под каким номером находится данный химический элемент.

4. Пример № 1. Определить заряд ядра атома углерода (С). Начинаем исследовать химический элемент углерод, ориентируясь на таблицу Д.И.Менделеева. Углерод находится в «квартире» № 6. Следственно, он имеет заряд ядра +6 за счет 6 протонов (правильно заряженных частиц), которые располагаются в ядре. Рассматривая, что атом электронейтрален, значит, электронов тоже будет 6.

5. Пример № 2. Определить заряд ядра атома алюминия (Al). Алюминий имеет порядковый номер – № 13. Следственно, заряд ядра атома алюминия +13 (за счет 13 протонов). Электронов также будет 13.

6. Пример № 3. Определить заряд ядра атома серебра (Ag). Серебро имеет порядковый номер – № 47. Значит, заряд ядра атома серебра + 47 (за счет 47 протонов). Электронов также 47.

Атом химического элемента состоит из ядра и электронной оболочки. Ядро – это центральная часть атома, в котором сконцентрирована примерно каждая его масса. В различие от электронной оболочки, ядро имеет правильный заряд .

Вам понадобится

• Атомный номер химического элемента, закон Мозли

Инструкция

1. Ядро атома состоит из 2-х типов частиц – протонов и нейтронов. Нейтроны являются электронейтральными частицами, то есть их электрический заряд равен нуля. Протоны являются позитивно заряженными частицами и их электрический заряд равен +1.

2. Таким образом, заряд ядра равен числу протонов. В свою очередь, число протонов в ядре равно ядерному номеру химического элемента. К примеру, ядерный номер водорода – 1, то есть ядро водорода состоит из одного протона имеет заряд +1. Ядерный номер натрия – 11, заряд его ядра равен +11.

3. При альфа-распаде ядра его его ядерный номер уменьшается на два за счет испускания альфа-частицы (ядра атома гелия). Таким образом, число протонов в ядре, испытавшем альфа-распад, также уменьшается на два.Бета-распад может протекать в 3 разных видах. В случае распада «бета-минус» нейтрон превращается в протон при испускании электрона и антинейтрино. Тогда заряд ядра возрастает на единицу.В случае распада «бета-плюс» протон превращается в нейтрон, позитрон и нйтрино, заряд ядра уменьшается на единицу.В случае электронного захвата заряд ядра также уменьшается на единицу.

4. Заряд ядра дозволено также определить по частоте спектральных линий характеристического излучения атома. Согласно закону Мозли: sqrt(v/R) = (Z-S)/n, где v – спектральная частота характеристического излучения, R – непрерывная Ридберга, S – непрерывная экранирования, n – основное квантовое число.Таким образом, Z = n*sqrt(v/r)+s.

Видео по теме

Атом – мельчайшая частица всего элемента, которая несет его химические свойства. Как существование, так и строение атома являлось предметом рассуждений и постижений с древних времен. Было установлено, что строение атомов сродни строению Ясной системы: в центре ядро, занимающее дюже немного места, но сфокусировавшее в себе примерно всю массу; вокруг него вращаются «планеты» – электроны, несущие негативные заряды . А как дозволено обнаружить заряд ядра атома?

Инструкция

1. Всякий атом электрически нейтрален. Но, от того что электроны несут негативные заряды , они обязаны быть уравновешены противоположными зарядами. Так и есть. Позитивные заряды несут частицы под наименованием «протоны», расположенные в ядре атома. Протон значительно громоздче электрона: он весит столько же, сколько 1836 электронов!

2. Самый примитивный случай – атом водорода первого элемента Периодической таблицы. Посмотрев в таблицу, вы удостоверитесь, что он занимает место под первым номером, а его ядро состоит из исключительного протона, вокруг которого вращается исключительный электрон. Из этого следует, что заряд ядра атома водорода равен +1.

3. Ядра других элементов состоят теснее не только из протонов, но и из так называемых «нейтронов». Как вы легко можете осознать из самого наименования, нейтроны вообще не несут никакого заряда – ни негативного, ни правильного. Следственно запомните: сколько бы нейтронов не входило в состав ядерного ядра , они влияют лишь на его массу, но не на заряд.

4. Следственно, величина позитивно заряда ядра атома зависит лишь от того, сколько протонов в нем содержится. Но от того что, как теснее указывалось, атом электрически нейтрален, в его ядре должно содержаться столько же протонов, сколько электронов вращается вокруг ядра . Число же протонов определяется порядковым номером элемента в Таблице Менделеева.

5. Разглядите несколько элементов. Скажем, знаменитый и животрепещуще нужный кислород находится в «ячейке» под номером 8. Следственно, в его ядре содержатся 8 протонов, и заряд ядра будет +8. Сталь занимает «ячейку» с номером 26, и, соответственно, имеет заряд ядра +26. А порядочный металл – золото, с порядковым номером 79 – будет иметь верно такой же заряд ядра (79), со знаком +. Соответственно, в атоме кислорода содержится 8 электронов, в атоме железа – 26, а в атоме золота – 79.

Видео по теме

В обыкновенных условиях атом электрически нейтрален. При этом ядро атома, состоящее из протонов и нейтронов, заряжено одобрительно, а электроны несут негативный заряд. При избытке либо недостатке электронов атом превращается в ион.

Инструкция

1. Всякий химический элемент имеет свой неповторимый заряд ядра. Именно заряд определяет номер элемента в периодической системе. Так, ядро водорода имеет заряд +1, гелия +2, лития +3, бериллия +4 и т.д. Таким образом, если вестим элемент, заряд ядра его атома дозволено определить из таблицы Менделеева.

2. От того что при обыкновенных условиях атом электрически нейтрален, число электронов соответствует заряду ядра атома. Негативный заряд электронов компенсируется позитивным зарядом ядра. Электростатические силы удерживают электронные облака возле атома, что обеспечивает его стабильность.

3. При воздействии определенных условий у атома дозволено отнимать электроны либо присоединять к нему добавочные. Если отнять электрон от атома, атом превращается в катион – правильно заряженный ион. При избыточном числе электронов атом становится анионом – негативно заряженным ионом.

4. Химические соединения могут иметь молекулярную либо ионную природу. Молекулы также электрически нейтральны, а ионы несут в себе определенный заряд. Так, молекула аммиака NH3 нейтральна, а вот ион аммония NH4+ заряжен правильно. Связи между атомами в молекуле аммиака ковалентные, образованные по обменному типу. Четвертый атом водорода присоединяется по донорно-акцепторному механизму, это тоже ковалентная связь. Аммоний образуется при взаимодействии аммиака с растворами кислот.

5. Главно понимать, что заряд ядра элемента не зависит от химических перевоплощений. Сколько электронов ни добавляй и ни отнимай, заряд ядра останется тем же. К примеру, атом O, анион O- и катион O+ характеризуются одним и тем же зарядом ядра +8. При этом атом имеет 8 электронов, анион 9, катион – 7. Само ядро дозволено изменить только путем ядерных метаморфоз.

6. Особенно частый вид ядерных реакций – радиоактивный распад, тот, что может происходить в натуральной среде. Ядерная масса элементов, подвергающихся в природе такому распаду, заключена в квадратные скобки. Это обозначает, что массовое число непостоянно, меняется на протяжении времени.

В периодической системе элементов Д.И. Менделеева серебро имеет порядковый номер 47 и обозначение «Ag» (argentum). Наименование этого металла, возможно, случилось от латинского «argos», что обозначает «белый», «блистающий».

Инструкция

1. Серебро было знаменито обществу еще в IV тысячелетии до нашей эпохи. В Старинном Египте его называли даже «белым золотом». Данный дорогой металл встречается в природе как в самородном виде, так и в виде соединений, скажем, сульфидов. Серебряные самородки владеют огромным весом и зачастую содержат примеси золота, ртути, меди, платины, сурьмы и висмута.

2. Химические свойства серебра.Серебро относится к группе переходных металлов и владеет всеми свойствами металлов. Впрочем химическая активность серебра невелика – в электрохимическом ряду напряжений металлов оно находится правее водорода, примерно в самом конце. В соединениях серебро почаще каждого проявляет степень окисления +1.

3. При обыкновенных условиях серебро не реагирует с кислородом, водородом, азотом, углеродом, кремнием, но взаимодействует с серой, образуя сульфид серебра: 2Ag+S=Ag2S. При нагревании серебро взаимодействует с галогенами: 2Ag+Cl2=2AgCl?.

4. Растворимый нитрат серебра AgNO3 применяется для добротного определения галогенид-ионов в растворе – (Cl-), (Br-), (I-): (Ag+)+(Hal-)=AgHal?. К примеру, при взаимодействии с анионами хлора серебро дает нерастворимый белый осадок AgCl?.

5. Отчего серебряные изделия меркнут на воздухе?Повод постепенного потемнения изделий из серебра объясняется тем, что серебро реагирует с содержащимся в воздухе сероводородом. В итоге этого на поверхности металла образуется пленка Ag2S: 4Ag+2H2S+O2=2Ag2S+2H2O.

6. Как серебро взаимодействует с кислотами?С разбавленными соляной и серной кислотами серебро, как и медь, не взаимодействует, от того что является металлом низкой активности и не может вытеснять из них водород. Кислоты-окислители, азотная и концентрированная серная кислоты, растворяют серебро: 2Ag+2H2SO4(конц.)=Ag2SO4+SO2?+2H2O; Ag+2HNO3(конц.)=AgNO3+NO2?+H2O; 3Ag+4HNO3(разб.)=3AgNO3+NO?+2H2O.

7. Если к раствору нитрата серебра добавить щелочь, получится темно-каштановый осадок оксида серебра Ag2O: 2AgNO3+2NaOH=Ag2O?+2NaNO3+H2O.

8. Как и соединения одновалентной меди, нерастворимые осадки AgCl и Ag2O способны растворяться в растворах аммиака, давая комплексные соединения: AgCl+2NH3=Cl; Ag2O+4NH3+H2O=2OH. Последнее соединение зачастую используют в органической химии в реакции «серебряного зеркала» – добротной реакции на альдегидную группу.

Углерод – это один из химических элементов, имеющий в периодической таблице символ С. Его порядковый номер – 6, ядерная масса – 12,0107 г/моль, радиус атома – 91 пм. Своим наименованием углерод обязан русским химикам, которые вначале присвоили элементу имя «углетвор», после этого трансформировавшееся в нынешнее.

Инструкция

1. Применялся углерод в промышленности еще глубокой древности, когда кузнецы использовали его при выплавке металлов. Обширно знамениты две аллотропные модификации химического элемента – алмаз, применяемый в ювелирной и индустриально отраслях, а также графит, за открытие которого незадолго была присуждена Нобелевская премия. Еще Антуан Лавуазье проводил первые навыки с так называемым чистым углем, после этого его свойства отчасти изучила группа ученых – Гитон де Морво, собственно сам Лавуазье, Бертолле и Фуркруа, которые описали свой навык в книге «Способ химической номенклатуры».

2. Впервой вольный углерод вывел британец Теннант, тот, что пропустил пары фосфора над раскаленным мелом и получил фосфат кальция совместно с углеродом. Продолжил навыки британского сотрудники француз Гитон де Морво. Он осмотрительно нагрел алмаз, в итоге чего превратил его в графит и позже в угольную кислоту.

3. Углерод владеет достаточно многообразными физическими свойствами по причине образования химических связей разного типа. Теснее вестимо, что данный химический элемент непрерывно образуется в нижних слоях стратосферы, а его свойства еще с 50-х годов обеспечили углероду место на АЭС и в ядерных водородных бомбах.

4. Физики выделяют несколько форм либо конструкций углерода: тетрическую, тригональную и диагональную. У него есть и несколько кристаллических вариаций – алмаз, графен, графит, карбин, лонсдейлит, наноалмаз, фуллерен, фуллерит, углеродное волокно, нановолокно и нанотрубки. Есть формы и у аморфного углерода: активированный и древесный уголь, ископаемый уголь либо антрацит, камменоугольный либо нефтяной кокс, стеклоуглерод, техуглерод, сажа и углеродная нанопленка. Физики также разделяют и коластерные вариации – астралены, диуглероды и углеродные наноконусы.

5. Углерод достаточно инертен в условиях отсутствия экстремальных температур, а при достижении их верхнего порога горазд соединяться с другими химическими элементами, проявляя сильнейшие восстановительные свойства.

6. Вероятно, особенно знаменитым использованием углерода является карандашная промышленность, где его смешивают с глиной для меньшей ломкости. Его используют и в качестве смазочного средства при дюже высоких либо низких температурах, а высокая температура плавления дает вероятность производить из углерода крепкие тигли для заливки металлов. Графит также очаровательно проводит электрический ток, что дает огромные перспективы для использования его в электронике.

Видео по теме

Обратите внимание!
В таблице Д.И.Менделеева в одной клетке для всего химического элемента указаны два числовых значения. Не путайте порядковый номер и относительную ядерную массу элемента

Атом - это наименьшая частица химического элемента, сохраняющая все его химические свойства. Атом состоит из ядра, имеющего положительный электрический заряд, и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра любого химического элемента равен произведению Z на e, где Z - порядковый номер данного элемента в периодической системе химических элементов, е - величина элементарного электрического заряда.

Электрон - это мельчайшая частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10 -19 кулона, принятым за элементарный электрический заряд. Электроны, вращаясь вокруг ядра, располагаются на электронных оболочках К, L, М и т. д. К - оболочка, ближайшая к ядру. Размер атома определяется размером его электронной оболочки. Атом может терять электроны и становиться положительным ионом или присоединять электроны и становиться отрицательным ионом. Заряд иона определяет число потерянных или присоединенных электронов. Процесс превращения нейтрального атома в заряженный ион называется ионизацией.

Атомное ядро (центральная часть атома) состоит из элементарных ядерных частиц - протонов и нейтронов. Радиус ядра примерно в сто тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность атомного ядра чрезвычайно велика. Протоны - это стабильные элементарные частицы, имеющие единичный положительный электрический заряд и массу, в 1836 раз большую, чем масса электрона. Протон представляет собой ядро атома самого легкого элемента - водорода. Число протонов в ядре равно Z. Нейтрон - это нейтральная (не имеющая электрического заряда) элементарная частица с массой, очень близкой к массе протона. Поскольку масса ядра складывается из массы протонов и нейтронов, то число нейтронов в ядре атома равно А - Z, где А - массовое число данного изотопа (см. ). Протон и нейтрон, входящие в состав ядра, называются нуклонами. В ядре нуклоны связаны особыми ядерными силами.

В атомном ядре имеется огромный запас энергии, которая высвобождается при ядерных реакциях. Ядерные реакции возникают при взаимодействии атомных ядер с элементарными частицами или с ядрами других элементов. В результате ядерных реакций образуются новые ядра. Например, нейтрон может переходить в протон. В этом случае из ядра выбрасывается бета-частица, т. е. электрон.

Переход в ядре протона в нейтрон может осуществляться двумя путями: либо из ядра испускается частица с массой, равной массе электрона, но с положительным зарядом, называемая позитроном (позитронный распад), либо ядро захватывает один из электронов с ближайшей к нему К-оболочки (К-захват).

Иногда образовавшееся ядро обладает избытком энергии (находится в возбужденном состоянии) и, переходя в нормальное состояние, выделяет лишнюю энергию в виде электромагнитного излучения с очень малой длиной волны - . Энергия, выделяющаяся при ядерных реакциях, практически используется в различных отраслях промышленности.

Атом (греч. atomos - неделимый) наименьшая частица химического элемента, обладающая его химическими свойствами. Каждый элемент состоит из атомов определенного вида. В состав атома входят ядро, несущее положительный электрический заряд, и отрицательно заряженные электроны (см.), образующие его электронные оболочки. Величина электрического заряда ядра равна Z-e, где е - элементарный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (4,8·10 -10 эл.-ст. ед.), и Z - атомный номер данного элемента в периодической системе химических элементов (см.). Так как неионизированный атом нейтрален, то число электронов, входящих в него, также равно Z. В состав ядра (см. Ядро атомное) входят нуклоны, элементарные частицы с массой, примерно в 1840 раз большей массы электрона (равной 9,1·10 -28 г), протоны (см.), заряженные положительно, и не имеющие заряда нейтроны (см.). Число нуклонов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Количество протонов в ядре, равное Z, определяет число входящих в атом электронов, строение электронных оболочек и химические свойства атома. Количество нейтронов в ядре равно А-Z. Изотопами называются разновидности одного и того же элемента, атомы которых отличаются друг от друга массовым числом А, но имеют одинаковые Z. Таким образом, в ядрах атомов различных изотопов одного элемента имеется разное число нейтронов при одинаковом числе протонов. При обозначении изотопов массовое число А записывается сверху от символа элемента, а атомный номер внизу; например, изотопы кислорода обозначаются:

Размеры атома определяются размерами электронных оболочек и составляют для всех Z величину порядка 10 -8 см. Поскольку масса всех электронов атома в несколько тысяч раз меньше массы ядра, масса атома пропорциональна массовому числу. Относительная масса атома данного изотопа определяется по отношению к массе атома изотопа углерода С 12 , принятой за 12 единиц, и называется изотопной массой. Она оказывается близкой к массовому числу соответствующего изотопа. Относительный вес атома химического элемента представляет собой среднее (с учетом относительной распространенности изотопов данного элемента) значение изотопного веса и называется атомным весом (массой).

Атом является микроскопической системой, и его строение и свойства могут быть объяснены лишь при помощи квантовой теории, созданной в основном в 20-е годы 20 века и предназначенной для описания явлений атомного масштаба. Опыты показали, что микрочастицы - электроны, протоны, атомы и т. д.,- кроме корпускулярных, обладают волновыми свойствами, проявляющимися в дифракции и интерференции. В квантовой теории для описания состояния микрообъектов используется некоторое волновое поле, характеризуемое волновой функцией (Ψ-функция). Эта функция определяет вероятности возможных состояний микрообъекта, т. е. характеризует потенциальные возможности проявления тех или иных его свойств. Закон изменения функции Ψ в пространстве и времени (уравнение Шредингера), позволяющий найти эту функцию, играет в квантовой теории ту же роль, что в классической механике законы движения Ньютона. Решение уравнения Шредингера во многих случаях приводит к дискретным возможным состояниям системы. Так, например, в случае атома получается ряд волновых функций для электронов, соответствующих различным (квантованным) значениям энергии. Система энергетических уровней атома, рассчитанная методами квантовой теории, получила блестящее подтверждение в спектроскопии. Переход атома из основного состояния, соответствующего низшему энергетическому уровню Е 0 , в какое-либо из возбужденных состояний E i происходит при поглощении определенной порции энергии Е i - Е 0 . Возбужденный атом переходит в менее возбужденное или основное состояние обычно с испусканием фотона. При этом энергия фотона hv равна разности энергий атома в двух состояниях: hv= E i - Е k где h - постоянная Планка (6,62·10 -27 эрг·сек), v - частота света.

Кроме атомных спектров, квантовая теория позволила объяснить и другие свойства атомов. В частности, были объяснены валентность, природа химической связи и строение молекул, создана теория периодической системы элементов.

То, что все предметы состоят из элементарных частиц, предполагали еще ученые Древней Греции. Но ни доказать этот факт, ни опровергнуть в те времена не было никакой возможности. Да и о свойствах атомов в древности могли лишь догадываться, основываясь на собственных наблюдениях за различными веществами.

Доказать, что все вещества состоят из элементарных частиц, удалось лишь в 19-м веке и то косвенно. В это же время физики и химики по всему миру пытались создать единую теорию элементарных частиц, описывающую их строение и объясняющую различные свойства, такие, например, как заряд ядра.

Изучению молекул, атомов и их строения были посвящены труды многих ученых. Физика постепенно перешла в изучение микромира - элементарных частиц, их взаимодействия и свойств. Ученые стали интересоваться, из чего состоит выдвигать гипотезы и пытаться их доказать, хотя бы косвенно.

В результате в качестве базовой теории была принята планетарная предложенная Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором. Согласно этой теории, заряд ядра любого атома положительный, в то время как по его орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, в итоге делая атом электрически нейтральным. Со временем данная теория была многократно подтверждена разного рода экспериментами, начиная с опытов одного из ее соавторов.

Современная ядерная физика считает теорию Резерфорда-Бора фундаментальной, все исследования атомов и их элементов основываются на ней. С другой стороны большинство гипотез, появившихся за последние 150 лет, практически так и не были подтверждены. Получается, что ядерная физика в своем большинстве является теоретической ввиду сверхмалых размеров изучаемых объектов.

Конечно же, в современном мире определить заряд ядра алюминия, например (или любого другого элемента) намного проще, чем в 19-м веке и тем более — в Древней Греции. Но делая новые открытия в данной области, ученые порой приходят к удивительным заключениям. Пытаясь найти решение одной задачи, физика сталкивается с новыми проблемами и парадоксами.

Изначально теория Резерфорда говорит о том, что химические свойства вещества зависят от того, каков заряд ядра его атома и, как следствие, от числа электронов, вращающихся по его орбитам. Современная химия и физика в полной мере подтверждают данную версию. Несмотря на то, что изучение структуры молекул изначально отталкивалось от простейшей модели — атома водорода, заряд ядра которого равен 1, теория в полной мере распространяется на все элементы таблицы Менделеева, включая и полученные искусственным путем в конце прошлого тысячелетия.

Любопытно, что еще задолго до исследований Резерфорда английский химик, врач по образованию Вильям Проут заметил, что удельный вес различных веществ кратен данному показателю водорода. Он тогда предположил, что все иные элементы попросту состоят из водорода на каком-то простейшем уровне. Что, например, частица азота — это 14 таких минимальных частиц, кислорода - 16 и т. д. Если рассматривать данную теорию глобально в современной интерпретации, то в целом она верна.