Атомные ядра. Их состав. Изотопы

 

Атом состоит из ядра и электронов. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протон (p) имеет массу 1,67×10^-27кг, заряд равен +1,6×10^-19Кл, нейтрон (n) имеет такую же массу, как и протон, но не имеет заряда. Протоны и нейтроны называются нуклонами. Электрон (ē) имеет массу 9,11·10^-31кг, а заряд по величине такой же, как у протона, только отрицательный. Положительный заряд ядра атома уравновешивается таким же числом электронов, т.е. атом образование нейтральное. Размеры ядра 10^{-12 см, размеры атома 10-8 см.}

Изотопы – это атомы, у которых в ядре одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Они будут отличаться по массе, т.к. вся масса атома сосредоточена в ядре. Электроны по сравнению с протонами невесомы.

 

Планетарная модель строения атома Резерфорда (1911 г).

 

В центре атома находится ядро, а электроны вращаются вокруг ядра, подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. Устойчивость атома по модели Резерфорда объяснил Н. Бор в 1913 году в своих знаменитых постулатах:

1. в атоме есть такие состояния, находясь в которых электрон не излучает и не поглощает энергию. Эти состояния он назвал стационарными;

2. излучение или поглощение энергии происходит тогда, когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое.

 

Двойственная природа электрона.

 

В 1924 году де Бройль предположил, что электрон обладает, кроме корпускулярных, еще и волновыми свойствами. В 1927 году опытами Девиссона и Джермера это было доказано экспериментально.

Длину волны электрона можно рассчитать по уравнению де Бройля

λ = h/mv, где h - постоянная Планка, h = 6,62ּ10^-34 Дж с, m – масса электрона, v – скорость электрона. Длина волны электрона соизмерима с размерами атома, поэтому электронные волны размывают атом и оказывают значительное влияние на свойства атома. Поведение электрона в атоме описывается квантовой механикой с помощью волновой функции, которая является функцией четырех квантовых чисел Ψ = f (n, ℓ, m, s)

 

Квантовые числа.

 

Получены при решении уравнения Шредингера (основное уравнение квантовой механики, описывающее поведение микрочастиц) для электрона атома водорода в 1927 году.

Главное квантовое число – n. Оно принимает значения: 1, 2, 3 и т.д. до бесконечности. Характеризует энергию электрона в атоме и удаленность от ядра. Так если:

n = 1 – первый электронный слой, Е = -13,6 эВ;

n = 2 – второй электронный слой, E = - 3,5 эВ;

n = 3 – третий электронный слой, E = - 1,5 эВ и т.д.

Энергию рассчитываем по формуле: E = - 13,6/n² эВ (1эВ – это энергия, которую приобретает электрон, проходя разность потенциалов в 1 Вольт)

1эВ = 1,6∙10^-19 Дж

Орбитальное квантовое число -ℓ. Оно принимает все целочисленные значения: 0, 1, 2, и т.д. до (n – 1). Характеризует энергию подуровня и форму орбитали.

ℓ = 0 – s-подуровень, форма орбитали сферическая.

ℓ = 1 – p-подуровень, форма орбитали гантелеобразная.

ℓ = 2 – d-подуровень, форма орбитали четырехлепестковая.

ℓ = 3 – f-подуровень, форма орбитали восьмилепестковая и т.д.

Магнитное квантовое число – m. Оно принимает все положительные и отрицательные целочисленные значения в пределах орбитального квантового числа и ноль.

m = = +ℓ, 0, -ℓ.

Магнитное квантовое число характеризует ориентацию электронного облака в пространстве и, как следствие, энергию орбитали в магнитном и электрическом полях:

ℓ = 0, m = 0, одна ориентация – одна s-орбиталь,

ℓ = 1, m =1, 0, -1, три ориентации – три p-орбитали,

ℓ = 2, m = +2, +1, 0, -1,-2, пять ориентаций – пять d-орбиталей,

ℓ = 3, m =+3, +2, +3, 0, –1, -2, -3, семь ориентаций – семь f-орбиталей.

Спиновое квантовое число – s. Принимает два значения +1/2 и –1/2. Характеризует направление собственного вращения электрона.