Общая характеристика строения атома.

Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Размеры атома в целом определяются размерами его электронного облака и велики по сравнению с размерами ядра (линейные размеры атома ~ 10^{-10 м, его ядра ~ 10-10} -10^{-15 см). Электронное облако атома не имеет строго определенных границ, поэтому размеры атома в значительной степени условны и зависят от способов их определения. Ядро атома состоит из Z протонов и N нейтронов, удерживаемых ядерными силами. Положит. заряд протона и отрицат. заряд электрона одинаковы по абсолютной величине и равны е= 1,60*10-19} Кл; нейтрон не обладает электрическим зарядом. Заряд ядра +Ze - основная характеристика атома, обусловливающая его принадлежность к определенному химическому элементу. Порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева (атомный номер) равен числу протонов в ядре.

В электрически нейтральном атоме число электронов в облаке равно числу протонов в ядре. Однако при определенных условиях он может терять или присоединять электроны, превращаясь соответственно в положительный или отрицательный ион. например Li⁺, Li²⁺ или О^-, О^2-. Говоря об атомах определенного элемента, подразумевают как нейтральные атомы, так и ионы этого элемента.

Масса атома определяется массой его ядра; масса электрона ( 9,109*10^{-28 г) примерно в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона ( 1,67*10-24 г), поэтому вклад электронов в массу атома незначителен. Общее число протонов и нейтронов А = Z + N наз. массовым числом. Массовое число и заряд ядра указываются соответственно верхним и нижним индексами слева от символа элемента, например 23}₁₁Na. Вид атомов одного элемента с определенным значением N называют нуклидом. Атомы одного и того же элемента с одинаковыми Z и разными N наз. изотопами этого элемента. Различие масс изотопов мало сказывается на их химических и физических свойствах. Наиболее значительные, отличия наблюдаются у изотопов водорода вследствие большой относительной разницы в массах обычного атома (протия), дейтерия D и трития Т . Точные значения масс атомов определяют методами масс-спектрометрии.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10⁻³¹ кг, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами.

Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10⁻²⁷ кг, m_p = 938,28 МэВ).

Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10⁻²⁷ кг , m_n = 939,57 МэВ).

Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10⁻¹⁵ м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

В результате многочисленных экспериментов было установлено, что частицы внутри ядра связаны принципиально новым видом взаимодействия. Его интенсивность в сотни раз превосходит интенсивность электромагнитного взаимодействия, поэтому его назвали сильным взаимодействием. Это взаимодействие обладает важной особенностью: оно имеет малый радиус действия и «включается» только тогда, когда расстояние между нуклонами не превышает 10^–15 м. Этим объясняются небольшие размеры всех атомных ядер (не более 10^–14 м).

Протонно-нейтронная модель ядра позволяет рассчитать энергию связи нуклонов в ядре. Напомним, что согласно измерениям она приблизительно равна –7 МэВ. Представим себе, что 4 протона и 4 нейтрона объединились, образовав ядро бериллия. Масса каждого нейтрона m_n = 939,57 МэВ, а масса каждого протона m_p = 938,28 МэВ (здесь мы используем принятую в ядерной физике систему единиц, в которой масса измеряется не в килограммах, а в эквивалентных энергетических единицах, пересчитанных по соотношению Эйнштейна Е₀ = mc²). Следовательно, суммарная энергия покоя 4 протонов и 4 нейтронов до их объединения в ядро составляет 7511,4 МэВ. Энергия покоя ядра Ве составляет 7454,7 МэВ. Ее можно представить как сумму энергии покоя самих нуклонов (7511,4 МэВ) и энергии связи нуклонов друг с другом Есв. Поэтому:

7454,7 МэВ = 7511,4 МэВ + Есв.

Отсюда получаем:

Еп= 7454,7 МэВ –7511,4 МэВ = –56,7 МэВ.

Эта энергия распределяется на все 8 нуклонов ядра бериллия. Следовательно, на каждый из них приходится примерно –7 МэВ, что и следует из экспериментов. Мы вновь получили, что энергия связи взаимно притягивающихся частиц является отрицательной величиной.