Страница 5 из 7
Вывод Резерфорда
В 1911 г. Эрнест Резерфорд представил Планетарную модель атома.
Планетарная модель атома
Планетарная модель атома строится на нескольких положениях. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Электроны удерживаются на орбитах благодаря электростатическим силам: отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.
Планетарная модель атома
Более 99% массы атома сосредоточено в его ядре. Масса электронов настолько мала, что ею пренебрегают. Диаметр ядра в 100 000 раз меньше диаметра атома. Если радиус ядра принять 1 см, то радиус атома составит 1 км.
Резерфорд рассчитал диаметр ядра опираясь на общее число -частиц и долю тех, которые отклонились на определенные углы, По расчётам физика, ядро имеет диаметр порядка 10-14 м. Чтобы представить размер атома, представьте 1 мм поделенный на 100 частей и каждую часть, поделите еще на миллион.
Современная модель строения атома
Планетарная модель атома оказала существенный вклад в науку, но с развитием изучения строения атома оказалась, что эта модель не жизнеспособна. На смену ей пришли другие модели атомов, которые опираются на квантовую физику.
Состав атома
Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Эти частицы называют нуклонами от латинского nucleus – ядро.
Количество протонов и электронов одинаковое. Поскольку протоны и электроны заряжены противоположно их заряды компенсируют друг друга. Атом не имеет заряда. Нейтроны не влияют на заряд атома, но придают ему дополнительную массу.
Состав атома
Массы атомов
Массы атомов и молекул имеют значения порядка 10-27 кг.
На практике использовать такие маленькие значения не удобно, поэтому используют относительные атомные массы измеряемые в атомных единицах массы, сокращенно а.е.м.
1 а.е.м. – ¹⁄₁₂ массы атома углерода.
1 а.е.м. = 1,66 × 10-24 г = 1,66 × 10-27 кг.
Найти массу того или иного атома можно в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Значения относительных атомных масс (Ar) измеряются в а.е.м.
Чтобы узнать абсолютную массу атома в кг нужно его относительную атомную массу умножить на 1 а.е.м.
ma(элемента) = Ar(элемента) × 1,66 × 10-27
Рассчитаем массу атома железа.
ma (Fe) = 55,845 × 1,66 × 10-27 = 9,27 × 10-26 кг.
Ядра атомов
Виды ядер, с определенным числом протонов и нейтронов называют нуклидами.
Состав ядер часто выражают верхними и нижними индексами с левой стороны символа элемента. Верхний индекс – массовое число – обозначает массу ядра. Нижний индекс – зарядовое число – обозначает заряд ядра.
Обозначение состава ядра
Такая запись ядра атома углерода говорит, что масса его ядра 12, а заряд – 6.
Значения массовых и зарядовых чисел можно найти в Периодической системе химических элементов. Зарядовое число – это порядковый номер элемента.
Поскольку относительный заряд протона +1, то зарядовое число совпадает с количеством протонов:
.
Атом – электронейтральная частица. Электронейтральность возможна, если сумма отрицательных и сумма положительных зарядов равны между собой. Поскольку электрон и протон заряжены одинаково и отличаются только по знаку, то количество протонов равно количеству электронов:
.
Масса электрона настолько мала, что ею можно пренебречь. Относительная атомная масса примерно равна массе ядра. Массовое число – относительная атомная масса (). Поскольку масса протона и нейтрона примерно равны, количество нейтронов можно найти вычитанием зарядового числа из массового числа:
.
Заряд ядра – главная характеристика атома, отличающая его от других атомов. Планетарная модель атома позволяет рассчитать заряд ядра по формуле:
,
где, – зарядовое число;
– элементарный заряд, = 1,6022⋅10−19 Кл.
Благодаря разнообразию наборов элементарных частиц существуют всевозможные химические элементы: Н, О, N, S, P, Si, Fe, Au и другие. На данный момент открыто 118 химических элементов.
Дефект масс и энергия связи ядра
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Оба вида частиц имеют массу. Если сложить массы протонов и нейтронов в ядре, мы должны получить массу ядра. Но нет. Масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Этот феномен называют дефектом масс.
Дефект масс – разница между реальной массой ядра атома и суммой масс протонов и нейтронов, входящих в состав этого ядра.
Дефект масс можно рассчитать с помощью формулы:
,
где – дефект масс;
– количество протонов;
– масса протона;
– количество нейтронов;
– масса нейтрона;
– реальная масса ядра.
и есть разница масс ядра атома и суммы образующих его частиц.
Куда исчезает недостающая масса? Никуда. Миром правят несколько фундаментальных законов. Два из них – закон сохранения массы и закон сохранения энергии.
Масса и энергия связаны соотношением:
,
где – энергия;
– масса;
– скорость света, 300 000 000 м/с.
Недостающая масса никуда не исчезает, а переходит в энергию. Протоны и нейтроны связаны между собой энергией связи ядра.
Энергия связи ядра – энергия, необходимая, чтобы разрушить ядро атома и разделить его на отдельные частицы.
Чтобы частицы удерживались вместе нужна энергия. Энергия ниоткуда не берется и никуда не исчезает. Чтобы появилась энергия, нужно отдать часть массы. Именно в энергию связи ядра и переходит та часть массы. Дефект масс – мера энергии связи ядра, поэтому энергию связи можно найти по формуле: