Строение атома. Ядерные реакции

Строение атома

Планетарная модель атома была разработана Резерфордом после проведения серии экспериментов. До Резерфорда считалось, что в атоме равномерно распределены “плюсы” и “минусы”, и атом представляет собой некий электронейтральный “пудинг”, состоящий из равномерно перемешенных положительных и отрицательных зарядов (модель атома Томпсона).

Постановка эксперимента

Резерфорд направлял сфокусированный пучок альфа-частиц (тяжелые положительно заряженные частицы) на тонкую пластинку фольги. В ходе опытов выяснилось, что большинство α-частиц проходят фольгу насквозь, немного отклоняясь, но некоторые рассеиваются с большим углом отклонения.

Так как α-частицы обладают положительным зарядом, рассеивать их могло лишь электростатическое поле. α-частицы также достаточно массивны, поэтому не могли отклоняться электронами, которые легче на несколько порядков. Следовательно, α-частицы рассеивались электростатическим полем массивного объекта ― ядра атома.

Проанализировав результаты опытов, Резерфорд разработал «планетарную модель атома», согласно в центре атома располагается массивное положительно заряженное ядро, состоящее из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Ядро окружено легкими, движущимися по орбитам вокруг ядра, отрицательно заряженными электронами.

Ядро обозначается в виде:

\(_{Z}^{A}X\)

X ― название химического элемента

Z ― зарядовое число, равное количеству протонов в ядре

A ― массовое число, равное количеству протонов и нейтронов в ядре

Поскольку массовое число атомов равно сумме протонов и нейтронов, то можно найти число нейтронов в атоме: \(n = A - Z\). Число электронов в атоме равно число протонов.

Изотопы ― это атомы, или ядра одного элемента, но с разной массой, например, \(_{92}^{235}U\) и \(_{92}^{238}U\).

У изотопов одинаковое число протонов в ядре, но разное число нейтронов. Например, ядро \(_{92}^{235}U\) имеет 92 протона и 143 нейтрона, а ядро \(_{92}^{238}U\) ― 146 нейтронов.

Пример анализа состава атома по таблице химических элементов Менделеева.

Состав ядра самого распространенного изотопа кальция \(_{40}^{20}\text{Ca}\): 20 протонов, 40 нуклонов (протонов и нейтронов вместе), 20 нейтронов. Этот изотоп встречается в 97% случаев. У атома кальция 20 электронов.

Ядерные реакции

Радиоактивный распад

Радиоактивный распад ― спонтанное изменение состава ядра атома. Радиоактивность ― это процесс радиоактивного распада. При радиоактивном распаде ядро атома испускает альфа-частицы, электроны или гамма излучение.

Закон радиоактивного распада описывает статистическую закономерность ― он позволяет определить, сколько атомных ядер распалось в начальном образце. При этом узнать, какое именно из ядер распадется в следующий раз невозможно. Распад ядра ― очень быстрый процесс, о времени распада каждого отдельного ядра также ничего нельзя сказать.

Закон радиоактивного распада имеет вид:

\(N = N_{0}{\cdot 2}^{- \frac{t}{T}}\)

N ― число атомов в момент времени t;

N₀ ― число атомов радиоактивного элемента в начальный момент;

T ― период полураспада;

t ― время, которое прошло с начального момента.

Период полураспада показывает, за какое время половина всех атомов в образце распадется.

Виды распада

Наиболее распространенные типы радиоактивного распада ― α-распад, электронный β-распад, электронный β-захват и γ-распад. Эти распады происходят по следующим схемам:

α-распад:

\(\begin{matrix} A \\ Z \\ \end{matrix}X \rightarrow \begin{matrix} A - 4 \\ Z - 2 \\ \end{matrix}Y + \begin{matrix} 4 \\ 2 \\ \end{matrix}\text{He}\)

При α-распаде заряд ядра атома уменьшается на 2, а массовое число уменьшается на 4, и излучается α-частица ― ядро гелия.

β-распад:

\(\begin{matrix} A \\ Z \\ \end{matrix}X \rightarrow \begin{matrix} \text{\ \ \ \ \ \ \ }A \\ Z + 1 \\ \end{matrix}Y + \begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e\)

При электронном β-распаде один из нейтронов в ядре превращается в протон, ядро испускает один электрон: \(\begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e\).

Из-за превращения нейтрона в протон, зарядовое число увеличивается на 1, а масса не изменяется.

β-захват:

\(\begin{matrix} A \\ Z \\ \end{matrix}X\ + \begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e \rightarrow \begin{matrix} A \\ Z - 1 \\ \end{matrix}Y\)

При электронном β-захвате (еще можно встретить название: позитронный β-распад) один из электронов \(\begin{matrix} \text{\ \ \ }0 \\ - 1 \\ \end{matrix}e\) со внешних орбиталей захватывается протоном в ядре и превращается в нейтрон. Из-за превращения протона в нейтрон, зарядовое число уменьшается на 1, а масса не изменяется.

γ-распад ― это испускание ядром гамма-излучения (электромагнитной волны высокой частоты).

\(\begin{matrix} A \\ Z \\ \end{matrix}X \rightarrow \begin{matrix} A \\ Z \\ \end{matrix}Y + \gamma\)

При γ-распаде заряд и масса ядра не изменяются.

Законы сохранения

При протекании ядерной реакции сохраняется суммарное массовое число и суммарный заряд элементов:

\(\begin{matrix} A_{1} \\ Z_{1} \\ \end{matrix}X + \begin{matrix} A_{2} \\ Z_{2} \\ \end{matrix}Y = \begin{matrix} A_{3} \\ Z_{3} \\ \end{matrix}Z + \begin{matrix} A_{4} \\ Z_{4} \\ \end{matrix}\Omega\)

Сумма масс элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме масс справа, после ядерной реакции: \(A_{1} + A_{2} = A_{3} + A_{4}\).

Сумма зарядов элементов слева, до ядерной реакции, равна сумме зарядов справа, после ядерной реакции: \(Z_{1} + Z_{2} = Z_{3} + Z_{4}\).

Интернет-энциклопедия по школьным предметам от Maximum Education. Учебник поможет решить домашнее задание, подготовиться к контрольной и вспомнить прошлые темы.