Если α-частица напрямую сталкивается с ядром, она отталкивается и летит в обратную сторону. Если α-частица пролетает очень близко к ядру, она меняет свою траекторию примерно на 90°. Чем дальше α-частица пролетает от ядра, тем меньше угол ее отклонения. Некоторые α-частицы пролетают настолько далеко от ядра, что они практически друг на друга не влияют. Резерфорд сделал вывод, что ядро занимает малу долю объема атома.
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
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
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 массы атома углерода.
1 а.е.м. = 1,66 × 10
-2
4
-27
Найти массу того или иного атома можно в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Значения относительных атомных масс (A
r
Чтобы узнать абсолютную массу атома в кг нужно его относительную атомную массу умножить на 1 а.е.м.
m
a
-27
Рассчитаем массу атома железа.
m
a
-27
-2
6
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, = 1,602210
19
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:
.
Дефект масс провялятся не только внутри атомного ядра, но и в других система, где объекты связаны между собой какой-то силой, то есть везде. Большинство систем настолько велики, что дефект масс не ощутим, но ядро атома очень маленькая частица. Именно из-за микроскопичности ядер, дефект масс оказывает существенное влияние на его массу.
Изотопы
Количество протонов определяет заряд атома. Заряд атома определяет каким химическим элементом будет этот атом.
Количество электронов равно количеству протонов. Равное количество этих частиц компенсирует их заряд до нуля, поэтому атом электронейтрален.
Количество нейтронов не влияет на заряд, а только придает атому дополнительную массу. Если меняется количество нейтронов, то заряд атома все равно остается нейтральным. Поскольку изменение количества нейтронов не повлияет на заряд ядра, этот атом останется тем же химическим элементом. Отличатся будет только масса этих атомов. Такие атомы называют изотопами.
Изотопы разновидности атомов одного химического элемента, имеющих одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов.
Почти все химические элементы имеют изотопы и существуют как смесь этих изотопов с разными долями.
Изотопы атома водорода
Самый распространенный в природе изотоп водорода протий (
1
Протий изотоп водорода, входящий в состав питьевой воды Н
2
Второй изотоп водорода дейтерий (
2
По аналогии с протием дейтерий образует молекулу воды D
2
тяжелойСледующий изотоп водорода тритий (
3
По аналогии с предыдущими изотопами, Тритий образует воду Т
2
сверхтяжелойДождь и снег содержат тритиевую воду. Сверхтяжелая вода образуется в атмосфере благодаря Солнечному излучению и работе электростанций.
Кроме рассмотренных изотопов, водород имеет еще 4 изотопа: