Сколько всего элементарных частиц во Вселенной? Строение атомов, орбиты электронов, максимальное кол-во электронов на орбитах, геохимические семейства. Зависимость свойств элементов от строения электронных оболочек и массы в представлении современной наук

Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов

Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.

Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.

Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)

Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.

ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.

Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)

Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:

Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.

ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).

Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;

Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.

ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)

ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7

Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315

He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90

Итого, количество фантомных частичек По до реакции

N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405

ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393

p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12

Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405

Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:

ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.

Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:

213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер

303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции

Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.

Долгое время для исследователей оставались секретом многие свойства материи. Отчего одни вещества отлично проводят электричество, а другие - нет? Почему железо постепенно разрушается под воздействием атмосферы, а благородные металлы отлично сохраняются на протяжении тысяч лет? Многие из этих вопросов нашли ответ после того, как человеку стало известно устройство атома: его строение, число электронов на каждом электронном слое. Более того, освоение даже самых основ строения атомных ядер открыло миру новую эру.

Из каких элементов построен элементарный кирпичик вещества, как они взаимодействуют между собой, чем из этого мы научись пользоваться?

в представлении современной науки

В настоящее время большинство ученых склонны придерживаться планетарной модели строения материи. Согласно этой модели в центре каждого атома находится ядро, крохотное даже по сравнению с атомом (он в десятки тысяч раз мельче целого атома). Зато о массе ядра такого не скажешь. Практически вся масса атома сосредоточена именно в ядре. Ядро заряжено положительно.

Вокруг ядра вращаются электроны по различным орбитам, не круговым, как в случае с планетами Солнечной системы, а объемным (сферы и объемные восьмерки). Число электронов в атоме численно равно заряду ядра. Но рассматривать электрон как частицу, которая движется по какой-то траектории, очень сложно.

Его орбита крохотна, а скорость почти как у светового луча, поэтому правильнее рассматривать электрон вместе с его орбитой как некую отрицательно заряженную сферу.

Члены атомной семьи

Все атомы состоят из 3 составляющих элементов: протонов, электронов и нейтронов.

Протон - главный строительный материал ядра. Его вес равен атомной единице (масса атома водорода) или 1,67 ∙ 10 -27 кг в системе СИ. Заряжена частица положительно, причем заряд ее принят за единицу в системе элементарных электрических зарядов.

Нейтрон - близнец протона по массе, но никак не заряжен.

Две вышеперечисленные частицы называют нуклидами.

Электрон - противоположность протону по заряду (элементарный заряд равен −1). Но вот по весу электрон подкачал, масса его всего-то 9,12 ∙ 10 -31 кг, что почти в 2 тысячи раз легче протона или нейтрона.

Как это «разглядели»

Как можно было разглядеть строение атома, если даже самые современные технические средства не позволяют и в ближайшей перспективе не позволят получить изображения составляющих его частиц. Как же ученые узнали число протонов, нейтронов и электронов в ядре и их расположение?

Предположение о планетарном устройстве атомов было сделано на основе результатов бомбардировки тонкой металлической фольги различными частицами. На рисунке хорошо видно, как взаимодействуют с веществом различные элементарные частицы.

Число электронов, прошедших сквозь металл, в опытах равнялось нулю. Это объясняется просто: отрицательно заряженные электроны отталкиваются от электронных оболочек металла, также имеющих отрицательный заряд.

Пучок протонов (заряд +) проходил через фольгу, но с «потерями». Часть отталкивалась от попавшихся на пути ядер (вероятность таких попаданий очень незначительна), часть отклонялась от первоначальной траектории, пролетев слишком близко к одному из ядер.

Самыми «результативными» в части преодоления металла стали нейтроны. Нейтрально заряженная частица терялась только в случае прямого столкновения с ядром вещества, 99,99% же нейтронов благополучно проходили сквозь толщу металла. Кстати, размер ядер тех или иных химических элементов удалось рассчитать именно исходя из количества нейтронов на входе и не выходе.

На основе полученных данных и была построена доминирующая в настоящее время теория строения вещества, которая успешно объясняет большинство вопросов.

Чего и сколько

Число электронов в атоме зависит от порядкового номера. Так, в атоме обычного водорода имеется всего один протон. Вокруг же по орбите кружится единственный электрон. Следующий элемент периодической таблицы - гелий устроен чуточку сложнее. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов и имеет, таким образом, атомную массу 4.

С ростом порядкового номера растут размеры и масса атома. Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева соответствует заряду ядра (количеству в нем протонов). Число электронов в атоме равно числу протонов. Так, атом свинца (порядковый номер 82) имеет в своем ядре 82 протона. На орбитах вокруг ядра находятся 82 электрона. Чтобы рассчитать количество нейтронов в ядре, достаточно от атомной массы отнять число протонов:

Почему их всегда поровну

Любая система в нашей Вселенной стремится к стабильности. Применительно к атому это выражается в его нейтральности. Если на секунду представить, что все без исключения атомы во Вселенной обладают тем или иным зарядом разной величины с разными знаками, можно себе представить, какой бы в мире наступил хаос.

Но так как число протонов и электронов в атоме равно, итоговый заряд каждого «кирпичика» равен нулю.

Число же нейтронов в атоме - величина самостоятельная. Более того, атомы одного и того же химического элемента могут иметь различное число этих частиц с нулевым зарядом. Пример:

• 1 протон + 1 электрон + 0 нейтронов = водород (атомная масса 1);
• 1 протон + 1 электрон + 1 нейтрон = дейтерий (атомная масса 2);
• 1 протон + 1 электрон + 2 нейтрона = тритий (атомная масса 3).

В данном случае число электронов в атоме не меняется, атом остается нейтральным, изменяется его масса. Такие вариации химических элементов принято называть изотопами.

Всегда ли атом нейтрален

Нет, не всегда число электронов в атоме равно числу протонов. Если бы у атома на время нельзя было «отобрать» электрон или два, не существовало бы такого понятия, как гальваника. На атом, как на любую материю, можно воздействовать.

Под влиянием достаточно сильного электрического поля с наружного слоя атома один или несколько электронов могут «улететь». В этом случае частичка вещества перестает быть нейтральной и называется ионом. Она может передвигаться в среде газа или жидкости, перенося электрический заряд от одного электрода к другому. Таким образом запасают электрический заряд в аккумуляторных батареях, а также наносят тончайшие пленки из одних металлов на поверхности других (золочение, серебрение, хромирование, никелирование и т.д.).

Нестабильно число электронов и в металлах - проводниках электрического тока. Электроны наружных слоев как бы гуляют с атома на атом, перенося по проводнику электрическую энергию.

На вопрос Как вычислить кол-во электронов на орбитах {или как они по-русски называюцца заданный автором МАЛАЯ Трезвая-и-Злая! лучший ответ это Максимальное число электронов на 1 орбитали (электронном облаке) - 2. Близкие по размеру и энергии орбитали образуют подуровни, максимальное число электронов на них: s-подуровень - 2, p-подуровень - 6, d-подуровень - 10, f-подуровень - 14 (орбиталей на подуровне соответственно в 2 раза меньше). Близкие по энергии подуровни образуют ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УРОВНИ, или ЭЛЕКТРОННЫЕ СЛОИ (видимо, именно о них Вы спрашиваете). Максимальное число электронов на энергетических уровнях: 1-й - 2, 2-й - 8, 3-й - 18, 4-й и далее - 32. НА ВНЕШНЕМ ЭЛЕКТРОННОМ СЛОЕ АТОМА НЕ МОЖЕТ БЫТЬ БОЛЕЕ 8 ЭЛЕКТРОНОВ.
Общее число электронов на всех электронных слоях равно заряду ядра (порядковому номеру элемента). Число электронных слоев атома равно номеру периода, в котором расположен этот элемент. Заполнение нового электронного слоя начинается после того, как на предыдущем слое заполнены s- и p-орбитали.
d-орбитали предыдущего слоя заполняются после заполнения s-орбиталей следующего слоя, а уже после этих d-орбиталей заполняется наружный p-подуровень. f-орбитали заполняются только у лантаноидов и актиноидов (2 ряда по 14 элементов внизу таблицы Менделеева) ; заполняется f-подуровень третьего снаружи электронного слоя после того, как заполнился s-подуровень внешнего слоя (2 электрона) и 1 электрон на d-подуровне предыдущего слоя. После заполнения третьего снаружи f-подуровня продолжается заполнение второго снаружи d-подуровня (вставная декада) , а затем - заполняется р-подуровень внешнего слоя.
Например, ванадий V - элемент 5 группы 4 периода. У него заполнены 1 (2 электрона) и 2 (8 электронов) уровни, на 3 уровне - s- и p-подуровни (т. е. 8 электронов) , потом заполняется s-подуровень 4 слоя (2 электрона) , а затем - d-подуровень 3 слоя (3 электрона) , т. е. на 3 слое - 8 + 3 = 11 электронов, а электронная схема атома: V +23)2)8)11)2. + 23 - это заряд ядра (порядковый номер; 2 + 8 + 11 + 2 = 23 - число электронов равно порядковому номеру (это проверка). Как узнать число d-электронов: каждый период начинается 2 элементами, у которых заполняется наружный s-подуровень (в 4 периоде это - К и Са - элементы 1 и 2 группы) , далее у 10 элементов (вставная декада) заполняется предыдущий d-подуровень - по 1 электрону (в 4 периоде - от Sc до Zn). Считаете: ванадий находится в побочной подгруппе (т. е. d-элемент) , это 5-й по счету элемент 4 периода, у него 5 - 2 = 3 d-электрона на предыдущем (третьем) слое (т. е. он третий во вставной декаде) .
У элементов побочных подгрупп 1 и 6 групп наблюдается "проскок" 1 внешнего s-электрона на предыдущий d-подуровень: возникает энергетически более выгодное состояние, когда d-подуровень заполнен полностью или наполовину. Например, у меди Сu вместо...3d9 4s2 электронная конфигурация будет...3d10 4s1.

Атом химического элемента состоит из ядра и электронов . Количество электронов в атоме зависит от его атомного номера. Электронная конфигурация определяет распределение электрона по оболочкам и подоболочкам.

Вам понадобится

• Атомный номер, состав молекулы

Инструкция

Если атом электронейтрален, то число электронов в нем равно числу протонов. Число протонов соответствует атомному номеру элемента в таблице Менделеева. Например, водород имеет первый атомный номер, поэтому его атом имеет один электрон. Атомный номер натрия - 11, поэтому атом натрия имеет 11 электронов .

Атом также может терять или присоединять электроны. В этом случае атом становится ионом, имеющим электрический положительный или отрицательный заряд. Допустим, один из электронов натрия покинул электронную оболочку атома. Тогда атом натрия станет положительно заряженным ионом, имеющим заряд +1 и 10 электронов на своей электронной оболочки. При присоединении электронов атом становится отрицательным ионом.

Атомы химических элементов могут также соединяться в молекулы, наименьшую частицу вещества. Количество электронов в молекуле равно количеству электронов всех входящих в нее атомов. Например, молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода, каждый из которых имеет по одному электрону, и атома кислорода, который имеет 8 электронов . То есть, в молекуле воды всего 10 электронов .

До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.

Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.

Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10 -19 Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.

Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?

1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 электронов

Электрическая сила

Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы .

Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.

По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.

Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения : F = (Gm 1 m 2)/R 2

• m 1 , m 2 - массы тел;
• R - расстояние между центрами тел;
• G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг - универсальная гравитационная постоянная.

В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона :

F = kq 1 q 2 /r 2

• q 1 , q 2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
• r - расстояние между зарядами;
• k - коэффициент пропорциональности (СИ : k=8,99·10 9 Нм 2 Кл 2 ; СГСЭ : k=1).

• k=1/(4πε 0).
• ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - электрическая постоянная.

Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).

О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:

F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99·10 9)·1·1/(10 2) = -8,99·10 7 Н

Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.

Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.

Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:

F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r

Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10 -31 кг, а радиус его орбиты = 5,29·10 -11 м, получаем значение 8,22·10 -8 Н.

Теперь можно найти линейную скорость электрона:

8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 м/с

Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.