Физика

Урок 12: Строение атома

Строение атома и атомного ядра

С древности люди полагали, что все вещества состоят из маленьких неделимых частиц – атомов. Однако, с развитием науки становилось понятно, что атомы разных веществ на самом деле имеют сложную структуру и состоят из более мелких заряженных частиц. Более того, иногда атомы самопроизвольно испускают эти самые заряженные частицы, то есть проявляют радиоактивные свойства. В данном уроке будет подробно рассмотрено строение атома, явление радиоактивности и ее типы.
 

План урока:

Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов

Модели атомов

Радиоактивные превращения атомных ядер

Экспериментальные методы исследования частиц

Открытие протона

Открытие нейтрона

Состав атомного ядра

 

Радиоактивность как свидетельство сложного строения атомов

Альфа-, бета-, гамма-частицы. Излучение

В конце 19-го века французский ученый Анри Беккерель обнаружил, что химический элемент уран излучает невидимые лучи неизвестной природы. Причем делает он это самопроизвольно (без воздействия извне). Это явление было названо радиоактивным излучением или просто явлением радиоактивности.

Так как явление было новое и необычное, за его изучение взялись многие ученые. Скоро было открыто, что явление радиоактивного излучения было присуще не только урану, но и другим химическим элементам (например, радию).

Способность атомов к самопроизвольному излучению назвали радиоактивностью.

Э. Резерфорд для изучения явления радиоактивности провел следующий опыт (см. рисунок 1а): небольшое количество радия (Р) помещалось в толстостенный свинцовый сосуд с отверстием в крышке (С). Радиоактивные лучи в таком случае не могут пройти сквозь стенки сосуда, но могут через отверстие – получается направленный пучок излучения (П). Напротив отверстия располагали фотопластинку (Ф). При проявлении фотопластинки место, куда попадал пучок излучения (напротив отверстия), выглядело как темное пятно.

1 shema opyta po izucheniu radioaktivnosti
Рисунок 1 – Схема опыта по изучению радиоактивности

Затем на пути следования пучка излучения создавали магнитное поле (см. рисунок 1б). На фотопластинке в таком случае появлялось не одно, а три пятна – одно на прежнем месте (напротив отверстия) и два по бокам от него. Как известно, магнитное поле действует на движущиеся заряды. Более того, если два потока отклонились в разные стороны, значит это были потоки частиц разных знаков – положительных и отрицательных.

Получается, что поток излучения радия состоит из трех компонентов:

  • излучение, имеющее в своем составе положительно заряженные частицы;
  • излучение с отрицательно заряженными частицами;
  • излучение, не имеющее заряда (центральное пятно).

Положительно заряженные частицы, входящие в состав излучения, назвали альфа-частицами (иногда пишут α-частицы). В ходе дальнейших исследований было выяснено, что они представляют собой ионизированные атомы гелия 2+. То есть заряд альфа-частицы положителен и по модулю вдвое больше элементарного электрического заряда.

Отрицательно заряженные в составе излучения были названы бета-частицами (β-частицами). Они представляют собой поток электронов . То есть бета-частица имеет заряд (-1) – отрицательный и равный по модулю элементарному электрическому заряду.

Нейтральное излучение назвали гамма-частицами или гамма-квантами (γ-частицы или γ-кванты). Оно представляет собой один из видов электромагнитного излучения.

Так как до всех этих открытий уже было известно, что атом электрически нейтрален, а в опытах по исследованию радиоактивности оказалось, что электрически нейтральные атомы испускают положительно и отрицательно заряженные альфа- и бета-частицы, ученые сделали вывод, что все атомы состоят из заряженных частиц.

Модели атомов

Модель атома Томсона. Опыт Резерфорда. Метод сцинтилляций

Когда стало понятно, что атомы имеют в своем составе заряженные частицы разных знаков, ученые начали предлагать различные модели строения атомов.

Одна из первых моделей была разработана английским ученым Джозефом Томсоном. Он предполагал, что атом – это равномерно заряженный положительным зарядом шар, внутри которого точечными вкраплениями располагаются электроны (см. рисунок 2). Они могут колебаться вокруг своего положения равновесия. Суммарный отрицательный заряд электронов равен положительному заряду шара, поэтому атом электрически нейтрален.

2 model stroenia atoma
Рисунок 2 – Модель строения атома, предложенная Дж. Томпсоном

Чтобы проверить модель Томсона Резерфорд предложил опыт по рассеиванию альфа-частиц, схема которого изображена на рисунке 3.

3 opyt rezerforda
Рисунок 3 – Опыт Резерфорда для проверки атомной модели Томпсона

Свинцовый сосуд С (аналогичный описанному в опыте на рисунках 1а и 1б) с радиоактивным веществом (Р), излучающим альфа-частицы, располагали напротив стеклянного экрана (Э). Поверхность экрана была покрыта специальным веществом, вспыхивающим при попадании на него альфа-частицы. Стоит оговориться, что вспышки эти видны только с помощью микроскопа. Такой метод обнаружения альфа-частиц с помощью вспышек называется методом сцинтилляций.

Описанная установка помещается в вакуум (рисунок 3а), чтобы на пути следования альфа-частиц не было никаких препятствий – молекул воздуха. Тогда альфа-частицы вылетают из отверстия в крышке сосуда и летят по прямой практически без рассеивания. На экране в месте попадания пучка будет одно сплошное световое пятно.

Затем на пути следования альфа-частиц (рисунок 3б) располагают тонкую пленку из фольги (для альфа-частиц это будет аналог сетки, через которую они будут рассеиваться). Когда экран находится напротив сосуда с радиоактивным веществом световое пятно оказывается на старом месте, но по бокам от него образуется небольшое число мелких вспышек, свидетельствующих, что альфа-частицы рассеиваются на фольге. Однако, если передвигать экран вокруг фольги (маленькие экраны на рисунке 3б), можно заметить, что единичные альфа-частицы отклонились от первоначальной траектории почти на 90°. Это и был ключевой момент в наблюдении.

Результатом опыта Э. Резерфорда стал вывод, что такое отклонение положительно заряженных альфа-частиц может быть вызвано только очень сильным электрическим полем, которое могло быть порождено только точечно (в малом объеме) сконцентрированным зарядом. Причем речь идет именно о силах отталкивания между альфа-частицей и положительным зарядом, масса которого больше массы альфа-частицы. Данный вывод противоречил модели строения атома, предложенной Томсоном.

На основе опытных данных Резерфорд создал свою модель строения атома, которую позже назвали планетарной или ядерной: в центре атома располагается положительно заряженное ядро, а вокруг него, по орбитам, вращаются отрицательно заряженные электроны (как планеты вокруг Солнца – отсюда и название). Планетарная модель атома обоснована опытными данными и на данный момент считается наиболее правдивой.

 

Радиоактивные превращения атомных ядер

Массовое число. Зарядовое число

Во время исследований и экспериментов радиоактивных превращений Э. Резерфордом и его коллегой Ф. Содди было замечено, что при альфа-распаде и бета-распаде первоначальный химический элемент превращается в другой.

Если принять во внимание планетарную модель атома, можно сделать вывод, что превращается именно ядро атома (если бы от атома «оторвали» электрон, вращающийся на орбите, получился бы ион того же атома, что и был).

Альфа-распад решили записывать в виде реакции так:

4 element

Видно, что элементы обозначаются так же, как и в таблице Д.И. Менделеева.

Индекс сверху – массовое число (А). Оно равно числу атомных единиц массы* данного ядра, округленному до целых.

Индекс снизу – зарядовое число(Z). Оно равно числу элементарных электрических зарядов**, содержащихся в заряде данного ядра.

*1 атомная единица массы (а.е.м.) 1/12 равна массы атома углерода 5 C  .

** Элементарный электрический заряд – наименьший существующий в природе электрический заряд. Он равен модулю заряда электрона.

Массовое и зарядовое число всегда целые числа. Они не имеют размерности. Кроме того, во всех превращениях суммарное массовое и суммарное зарядовое число слева и справа должны оставаться постоянными, т.е. действуют законы сохранения массового и зарядового числа. В приведенном выше примере:

  • массовое число 226 = 222 + 4;
  • зарядовое число 88 = 86 + 2.

Таким образом, Резерфорд и Содди сделали вывод, что ядра атомов имеют сложный состав. Помимо этого, было сформулировано определение: радиоактивность – это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно (без внешнего воздействия) превращаться в другие ядра с испусканием частиц.

Приведем также пример бета-распада:

6 c i n

Бета-частица, которая представляет собой электрон записывается как 7 elektron. Массовое число равно 0, так как масса электрона считается пренебрежительно малой. Зарядовое число равно (-1), так как заряд электрона отрицателен и равен по модулю элементарному электрическому заряду. Итого:

  • массовое число 15 = 15 + 0;
  • зарядовое число 6 = 7 - 1.

Далее рассмотрим подробнее, какие частицы входят в состав атома и что такое зарядовое и массовое число.

При любых реакциях суммарное массовое и зарядовое числа до реакции равным суммарным массовому и зарядовому числам после реакции.

Экспериментальные методы исследования частиц

Счетчик Гейгера. Камера Вильсона

Ранее был разобран один из способов регистрации альфа-частиц – метод сцинтилляций. Однако он во многом зависит от человеческого фактора – остроты зрения наблюдателя, его внимательности, выносливости и так далее. Для дальнейших исследований строения атомов необходимы были приборы, максимально исключающие человеческий фактор.

Первым из таких приборов стал счетчик Гейгера, названный по фамилии изобретателя.

Данное устройство состоит из двух электродов, помещенных в герметичную стеклянную трубку (СТ), заполненную разреженным газом (как правило, аргоном). Отрицательно заряженный катод (К) представляет собой металлический цилиндр; анод (А) – тонкую проволоку, натянутую вдоль оси цилиндра-катода (см. рисунок 4). Эти электроды через сопротивление R подключены к источнику (U) высокого напряжения (порядка сотен вольт). Между ними возникает сильное электрическое поле.

8 schetchik geigera
Рисунок 4 – Схема счетчика Гейгера

Если в стеклянную трубку с газом влетает какая-нибудь частица, способная ионизировать атомы газа (т.е. «выбить» из них свободные электроны), образовавшиеся ионы начинают двигаться под воздействием электрического поля – электроны к аноду, а положительно заряженные – к катоду.

Если напряженность электрического поля большая, то электроны приобретают энергию, достаточную для ионизации других частиц газа в счетчике Гейгера. То есть снова образуются электроны, способные ионизировать другие атомы. В итоге образуется электронно-ионная лавина, которая провоцирует резкое возрастание силы тока в цепи и напряжения на сопротивлении R.В этом и состоит принцип действия счетчика Гейгера: по возрастанию характеристик можно зарегистрировать попавшую в счетчик частицу.

Если взять очень большое сопротивление R, резко возросшее напряжение в сети быстро упадет на этом сопротивлении и прибор будет готов к регистрации новых частиц.

Как правило, счетчик Гейгера использую для регистрации электронов. Данное устройство позволяет зафиксировать только тот факт, что через него пролетела заряженная частица. Для более детального исследования заряженных частиц оно не пригодно.

Более детально изучать частицы позволяет прибор, изобретенный Чарльзом Вильсоном и названный впоследствии камерой Вильсона (см. рисунок 5).

9 kamera vilsona
Рисунок 5 – Схема камеры Вильсона

Камера Вильсона состоит из стеклянного цилиндра (СЦ) со стеклянной крышкой (СК). Снизу в цилиндре находится подвижный поршень (ПП), на котором расположена черная ткань, смоченная в смеси воды и этилового спирта. Естественно получается, что воздух в камере наполнен парами воды и этилового спирта. Эту смесь воздуха и паров очищают от различных пылинок, ионов и прочего, на чем пары могли бы конденсироваться.

Если поршень резко отвести вниз, газ в камере расшириться, его внутренняя энергия уменьшится, температура понизится. Если бы смесь была неочищенной, пары воды и этилового спирта сконденсировались бы на примесях – ядрах конденсации (пылинках или ионах), однако их в камере нет. Поэтому газ становится пресыщенным – переходит в неустойчивое состояние, в котором он крайне легко может начать конденсироваться на любой попавшей в него частице, например, ионе.

Действие камеры Вильсона основано на применении способности пресыщенного газа мгновенно конденсироваться на любой попавшей в него частице. Излучаемые частицы влетают в камеру через небольшое отверстие (О) в боковой стенке цилиндра. Они пролетают по газу с большой скоростью, ионизирую его. Образованные ионы становятся ядрами конденсации. Получается, что вдоль всего пути следования частицы возникает след из капелек (он называется трек), который можно увидеть.

Если поместить камеру Вильсона в магнитное поле, которое действует на движущиеся электрические заряды, траектория движения частиц будет искривляться. По ее кривизне можно будет определить массу, энергию и заряд частицы. Возможность определить эти характеристики частиц, является большим преимуществом камеры Вильсона перед счетчиком Гейгера.

Стоит оговориться, что треки существуют в камере крайне недолго, поэтому их, как правило, фотографируют и изучают уже по фотографиям (на схеме Ф – фотоаппарат).

 

Открытие протона

Когда из экспериментальных данных по исследованию частицстало понятно, что ядро атома имеет сложный состав, ученые задались вопросом, из каких именно частиц оно состоит?

Э. Резерфорд провел опыт, в котором летящая с очень большой скоростью альфа-частица сталкивалась с ядром азота. Из опыта стало понятно, что альфа-частица выбивает из ядра азота какую-то частицу. Но так как наблюдение велось с помощью метода сцинтилляций, точно ничего сказать про эту частицу было нельзя. Так Резерфорд открыл первую элементарную частицу в составе ядра атомов и назвал ее протоном.

Через несколько лет этот же эксперимент был проведен в камере Вильсона, и оказалось, что выбиваемая частица представляет собой ядро водорода 10 vodorod.

Чтобы не создавать путаницы, договорились протоны обозначать 11 proton. Реакция взаимодействия азота с альфа-частицей выглядит так:

12 vzaimodeistvie s alfa chasticei

Итак, протон (11 proton) – это элементарная частица, имеющая массу приближенно равную 1 а.е.м. и обладающую положительны зарядом, равным по модулю элементарному электрическому заряду.

Протоны входят в состав ядер всех химических элементов.

Открытие нейтрона

С открытием протона ученые пришли к выводу, что в состав атомных ядер должны входить и другие частицы. Почему так?

Для примера можно взять атом кислорода  13 kislorod. Зарядовое число этого атома равно 8, значит и протонов в ядре должно быть 8, так как заряд протона равен элементарному электрическому заряду. Что касается массового числа, масса одного протона приближенно равна 1 а.е.м., значит масса всех протонов, входящих в состав ядра кислорода: 8 * 1 а.е.м. = 8 а.е.м. Однако массовое число атома кислорода – 16 а.е.м.*

То есть 8 а.е.м. занимают другие частицы. Причем, эти частицы должны быть электрически нейтральны (зарядовое число полностью описывается протонами).

Эти частицы были обнаружены экспериментально в 1930-х годах. Они действительно оказались электрически нейтральными, а их масса приближенно равнялась массе протона. Их назвали нейтронами и обозначили 14 neitron.

*Электроны, входящие в состав атома кислорода, не учитываются в расчете атомной массы, так как их масса чрезвычайно мала (во много раз меньше массы протонов).

Состав атомного ядра

Нуклоны. Изотопы

После открытия протонов и нейтронов, советский физик Д.Д. Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг создали протонно-нейтронную модель строения ядра. В чем же она заключается?

Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. То есть ядра всех атомов состоят из нуклонов.

Массовое число (А) равно общему количеству нуклонов в ядре.

Для атома кислорода hbcO массовое число А = 16, значит и нуклонов в состав ядра входит 16. Для атома фосфора 11 proton массовое число А = 31, следовательно нуклонов в ядре 31.

Напомним, что массовое число равно массе ядра, выраженной в атомных единицах массы и округленной до целого.

Зарядовое число (Z) равно числу протонов в ядре.

У кислорода 13 kislorod в ядре 8 протонов, у фосфора 15 fosfor – 15.

Число нейтронов в ядре можно найти как разницу между массовым и зарядовым числом. Например, у кислорода в ядре находится 16 - 8 = 8 нейтронов; у фосфора – 31-15 = 16 нейтронов.

Обобщенно можно записать так:

  • любой атом можно представить в виде 16 oboznachenie atoma, где X– обозначение самого атома (как в таблице Д.И. Менделеева), А – массовое число этого атома, Z– зарядовое число;
  • массовое число А равно количеству нуклонов в ядре атома;
  • зарядовое число Z равно количеству протонов в ядре атома и количеству электронов в атоме (так как атом электрически нейтрален);
  • разность (А – Z) равна количеству нейтронов в ядре атома.

Зарядовое число всегда можно найти как порядковый номер атома в таблице Д.И. Менделеева.

Что же касается массового числа, в ходе экспериментов физики обнаружили, что один и тот же химический элемент (с одним и тем же зарядовым числом) может иметь ядра разной массы. Так как при одинаковом зарядовом числе такие вещества занимают одну клетку таблицы Д.И. Менделеева, их назвали изотопами (дословно с греческого «занимающий одно место»).Число изотопов одного атома может быть самым различным.

Изотопы – атомы одного и того же химического элемента, различающиеся массой атомных ядер.

Например, у атома водорода существует три изотопа:

17 izotopy

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Какое из приведенных утверждений является верным?
1альфа-частицы представляют собой ионизированные атомы гелия ris helii
2бета-частицы являются протонами 2ris proton
3гамма излучение представляет собой механические волны
4все приведенные выше утверждения верны
Ответить
1
Вопрос: 2
Какой из приборов позволяет определить энергию, массу и заряд частицы?
1счетчик Гейгера
2камера Вильсона
3и счетчик Гейгера, и камера Вильсона
4ни один из названных приборов
Ответить
2
Вопрос: 3
Произошел альфа-распад урана: 3ris alfa raspad urana . Какова атомная масса А получившегося элемента (тория)?
1242
2238
3234
4230
Ответить
3
Вопрос: 4
Произошел бета-распад трития: 4ris beta raspad tritia. Какова атомная масса (А) и зарядовое число (Z) получившегося атома?
1А = 4, Z = 2
2А = 3, Z = 1
3А = 2, Z = 2
4А = 3, Z = 2
Ответить
4
Вопрос: 5
Сколько нуклонов содержится в атоме брома: 5ris atom broma?
180
235
345
470
Ответить
1
Вопрос: 6
Сколько протонов содержится в атоме алюминия: 6ris atom aluminia?
127
214
313
426
Ответить
3
Вопрос: 7
Сколько нейтронов содержится в атоме марганца: 7ris atom marganca?
125
230
350
455
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Какое из приведенных утверждений является верным?
1) альфа-частицы представляют собой ионизированные атомы гелия ris helii 2) бета-частицы являются протонами 2ris proton 3) гамма излучение представляет собой механические волны 4) все приведенные выше утверждения верны
2 вопрос:

Какой из приборов позволяет определить энергию, массу и заряд частицы?
1) счетчик Гейгера 2) камера Вильсона 3) и счетчик Гейгера, и камера Вильсона 4) ни один из названных приборов
3 вопрос:

Произошел альфа-распад урана: 3ris alfa raspad urana . Какова атомная масса А получившегося элемента (тория)?
1) 242 2) 238 3) 234 4) 230
4 вопрос:

Произошел бета-распад трития: 4ris beta raspad tritia. Какова атомная масса (А) и зарядовое число (Z) получившегося атома?
1) А = 4, Z = 2 2) А = 3, Z = 1 3) А = 2, Z = 2 4) А = 3, Z = 2
5 вопрос:

Сколько нуклонов содержится в атоме брома: 5ris atom broma?
1) 80 2) 35 3) 45 4) 70
6 вопрос:

Сколько протонов содержится в атоме алюминия: 6ris atom aluminia?
1) 27 2) 14 3) 13 4) 26
7 вопрос:

Сколько нейтронов содержится в атоме марганца: 7ris atom marganca?
1) 25 2) 30 3) 50 4) 55
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: альфа-частицы представляют собой ионизированные атомы гелия ris helii
2 вопрос: камера Вильсона
3 вопрос: 234
4 вопрос: А = 3, Z = 2
5 вопрос: 80
6 вопрос: 13
7 вопрос: 30