Согласно протонно-нейтронной теории ядер, изотопами называют разновидности атомов с одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в ядрах; изобарами - разновидности атомов с различным числом протонов и нейтронов, но одинаковым числом нуклонов. (Такие атомы следовало бы, по предложению С. А. Щукарева, называть изонуклонами, так как при одинаковом массовом числе истинные массы двух изобаров не равны друг другу.)

В 1906 г. были открыты первые радиоактивные изотопы 230 90 Тh и 232 90 Тh, в 1919 г. удалось экспериментально доказать наличие устойчивых изотопов у неона - 20 10 Ne и 22 10 Ne. С каждым годом число открытых изотопов возрастало: в 1921 г. их было известно уже 243, а в настоящее время - свыше 1500 (из которых только 272 являются устойчивыми или стабильными изотопами).

В соответствии с числом протонов, входящих в состав ядра, все элементы можно разделить на четные и нечетные по Z (Z чет и Z нечет). Так как в состав ядер входят также нейтроны, а число их равно или больше числа протонов, т. е. оно может быть также четным или нечетным, то, следовательно, и массовые числа А(= Z + N) могут принимать четные и нечетные значения. Отсюда следует, что возможны четыре варианта ядер атомов:

Так возникло представление о четных типах ядер. Оказалось, что наиболее устойчивыми являются ядра с Z4eT и особенно те, для которых Z чет и А чет - это так называемые четно-четные ядра (с четным Z и четным N). Менее прочными являются ядра с A нечет. Это четно-нечетные ядра (с четным Z и нечетным N) и нечетно-четные (с нечетным Z и четным N). Наименьшей прочностью обладают нечетно-нечетные ядра (с нечетным Z и нечетным N). Известно всего 4 устойчивых нечетно-нечетных ядра: 2 1 Н, 6 3 Li, 10 5 B и 14 7 N.

Из 42 нечетных по Z элементов (до 83-го включительно) два не имеют устойчивых изотопов (43 Тс, 61 Pm), четырнадцать имеют по два устойчивых изотопа, а все остальные - только по одному устойчивому изотопу, причем все устойчивые изотопы характеризуются нечетным массовым числом, кроме четырех изотопов: 2 Н, 6 Li, 10 B и 14 N. Таким образом, нечетные Z элементы являются в основном моноизотопными, состоящими из одного устойчивого изотопа.

Для 41 четного по Z элемента (до 82) известно 213 устойчивых изотопа, причем только один элемент моноизотопен (9 Ве), а все остальные - полиизотопны и имеют от 2 до 10 изотопов (например, у 50 Sn десять устойчивых изотопов с А = 112 ÷ 124). Элементы с четным А имеют 162 устойчивых изотопа, с нечетным - 51.

Устойчивость изотопов определяется отношением квадрата порядкового номера к массовому числу Z 2 /A. Если (Z 2 /A) > 33, то у элемента нет ни одного устойчивого изотопа. Таковыми являются элементы с Z = 84 ÷ 105; у них все изотопы радиоактивны. Последний элемент, для которого еще известен устойчивый изотоп, - это элемент с Z = 83, т. е. висмут - 209 83 Вi.

Для каждого отдельного элемента существует оптимальное отношение числа нейтронов к числу протонов
при котором возможно существование устойчивых изотопов: за пределами этого отношения при избытке протонов и недостатке нейтронов известны β + -радиоактивные изотопы, а при избытке нейтронов и недостатке протонов - β - -радиоактивные изотопы. Например, для кислорода известны семь изотопов:

Природный кислород представляет собой смесь - плеяду из трех устойчивых изотопов: 16 8 O (99,759%), 17 8 O (0,037%) и 18 8 O (0,204%), в которой больше всего легкого изотопа, содержащего в ядре равное число нейтронов и протонов: Σn / Σр = 8:8 = 1. Это отношение является характерным для наиболее устойчивых изотопов всех четных по Z элементов до 40 20 Са включительно. В ядрах изотопов последующих элементов с Z = 21 ÷ 83 в связи с возрастающим числом протонов электростатические силы отталкивания между ними увеличиваются, и ядра стабилизируются за счет "вхождения" большего числа нейтронов. Отношение Σn / Σр постепенно растет, доходя у 209 83 Вi до 1,518.

Из диаграммы устойчивости ядер всех изотопов (рис. 18), составленной в координатах Z - N, видно, что легкие ядра до 40 20 Са группируются вдоль прямой линии N = Z, отвечающей отношению Σn / Σр = 1. Для последующих ядер это отношение возрастает вследствие увеличения числа нейтронов, но остается меньше 2 (прямая N = 2Z). В вертикальном направлении расположены изотопы элементов: черными кружками обозначены - устойчивые, белыми кружками - β - - и β +3 радиоактивные.

В 1913 г. английский физик Г. Мозли установил, что положительный заряд ядра атома (в условных единицах) равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.

Каждый протон имеет заряд +1, поэтому заряд ядра равен числу протонов. Атом является электронейтральной частицей, поэтому число протонов равно числу электронов. Следовательно:

Например, элемент железо Fe имеет порядковый номер 26. Следовательно, заряд ядра атома железа равен +26, т. е. ядро содержит 26 протонов, а вокруг ядра движутся 26 электронов.

Элементарные частицы имеют следующие абсолютные и относительные массы:

Данные этой таблицы показывают, что масса протона, как и масса нейтрона, приблизительно в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны находятся в ядре, поэтому масса атома почти равна массе ядра. Масса ядра, как и масса атома, определяется суммой числа протонов и числа нейтронов. Эта сумма называется массовым числом атома.

Атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа, называются изотопами .

Атомы изотопов одного элемента имеют одинаковое число протонов (Z) и отличаются друг от друга числом нейтронов (N).

Изотопы обозначаются символами соответствующих элементов, слева от которых вверху записывают массовое число изотопа, а внизу - порядковый номер (заряд ядра атома) элемента. Например:

В природе различные элементы имеют разное число изотопов с разным процентным содержанием каждого из них.

Относительная атомная масса элемента Аr, которая приводится в периодической системе, - это средняя величина массовых чисел природных изотопов этого элемента с учетом процентного содержания каждого изотопа.

Например, в природе все атомы хлора представляют собой два вида изотопов: 35 Cl (процентное содержание 75,5%) и 37 Cl (24,5%). Относительная атомная масса хлора

Химические свойства всех изотопов одного элемента одинаковы. Следовательно, химические свойства элемента зависят не от атомной массы, а от заряда ядра.

Поэтому современная формулировка периодического закона читается так:

Свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атома, или порядкового номера элемента.

Формулировка периодического закона Д. И. Менделеевым и современная формулировка не противоречат друг другу, потому что для большинства элементов при увеличении заряда ядра относительная атомная масса тоже увеличивается. Существуют лишь немногие исключения из этого правила. Например, элемент № 18 имеет большую атомную массу, чем элемент № 19 .

Скачать:

Скачать бесплатно реферат на тему:«Строение атома и атомного ядра»

Рефераты по другим темам можно скачать

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Атомные ядра имеют размеры примерно 10 –14 - 10 –15 м(линейные размеры атома примерно 10 –10 м).

Атомное ядро состоит из элементарных частиц - протонов и нейтронов

Протон (р ) имеет положительный заряд, равный заряду электрона, и массу покоя т р = 1,6726*10 –27 кг?1836 т e , где т e - масса электрона. Нейтрон (n ) - нейтральная частица с массой покоя т п = 1,6749*10 –27 кг?1839 т e . Протоны и нейтроны называют­ся нуклонами (от лат. nucleus- ядро). Общее число нуклонов в атомном ядре называ­ется массовым числом А.

Атомное ядро характеризуется зарядом Ze, где Z - зарядовое число ядра, равное числу протонов в ядре и совпадающее с порядковым номером химического элемента в Периодической системе элементов Менделеева. Известные в настоящее время 107 элементов таблицы Менделеева имеют зарядовые числа ядер от Z = 1 до Z = 107.

Ядро обозначается тем же символом, что и нейтральный атом: a z X , где Х - символ химического элемента,Z атомный номер (число протонов в ядре),А - массовое число (число нуклонов в ядре).

Ядра с одинаковыми Z , но разными А (т. е. с разными числами нейтронов N=A–Z ) называются изотопами, а ядра с одинаковыми А, но разными Z -изобарами. Например, водород (Z =1) имеет три изотопа:Н-протий (Z =1,N =0),Н-дейтерий (Z =1,N =1),Н - тритий (Z =1,N =2), олово-десять, и т. д. Примером ядер-изобар могут служить ядраВе,В,С. В насто­ящее время известно более 2500 ядер, отличающихся либо Z , либо А, либо тем и другим.

Из большого числа моделей, каждая из которых обязательно использует подобранные произвольные параметры, согласующиеся с экспериментом, рассмотрим две: капельную и оболочечную.

• 1. Капельная модель ядра (1936; Н. Бор и Я. И. Френкель). Капельная модель ядра является первой моделью. Она основана на аналогии между поведением нуклонов в ядре и поведением молекул в капле жидкости. Так, в обоих случаях силы, действующие между составными частицами - молекулами в жидкости и нуклонами в ядре, - являются короткодействующими и им свойственно насыщение. Ядра характеризуются практически постоянной удельной энергией связи и постоянной плотностью, не зависящей от числа нуклонов в ядре.
• 2. Оболочечная модель ядра (1949-1950; М. Гепперт-Майери X. Иенсен. Оболочечная модель предполагает распределение нуклонов в ядре по дискретным энергетическим уровням (оболочкам и связывает устой­чивость ядер с заполнением этих уровней. Считается, что ядра с полностью заполненными оболочками являются наиболее устойчивыми. Оболочечная модель ядра позволила объяснить спины и магнитные моменты ядер, различную устойчивость атомных ядер, а также периодичность изменений их свойств.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Химический элемент однозначно характеризуется атомным номером Z , совпадающим с числом протонов в ядре.
Ядро с данным числом протонов Z может иметь разное число нейтронов N . Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами. Конкретное ядро с данными Z, N называется нуклидом.
Массовым числом называется полное число нуклонов в ядре: A = Z + N .
Так как массы протонов и нейтронов очень близки (mn/mp = 1,0014 )

Ядерные силы. Существование ядер возможно только в том случае, если между нуклонами действуют силы особой природы, противодействующие электростатическому отталкиванию протонов и сжимающие все нуклоны в малой области пространства. Такие силы не могут иметь ни электростатическую природу (наоборот, эти силы должны сильно притягивать протоны), ни гравитационную природу (численно сила гравитационного притяжения слишком мала, чтобы воспрепятствовать значительному электростатическому отталкиванию). Эти новые силы получили название ядерных сил, а порождающее эти силы взаимодействие называется сильным.

Экспериментально установлены следующие свойства ядерных сил.

1. Эти силы одинаковы по величине, независимо от того, действуют ли они между двумя протонами, протоном и нейтроном или двумя нейтронами (зарядовая независимость ядерных сил).

2. Эти силы имеют короткодействующий характер, т.е. обращаются в нуль, если расстояние между нуклонами превышает размер ядра.

3. В области действия ядерных сил эти силы очень велики (по сравнению с электромагнитными или, тем более, гравитационными силами) и являются силами притяжения вплоть до расстояний порядка R0 , где они сменяются силами отталкивания. Таким образом, нуклоны в ядрах удерживаются в области пространства радиусом R > R0 , однако атомные ядра невозможно сжать до меньших размеров.

Изотопы – атомы одного элемента, которые имеют разные массовые числа

Атомы изотопов одного элемена имеют одинаковое число протонов, и отличаютсядруг от друга числом нейтронов

например: водород имеет три изотопа: протий 1 1 Н, дейтирий 2 1 Н, тритий 3 1 Н

Изобары - нуклиды разных элементов, имеющие одинаковое массовое число; например, изобарами являются 40 Ar, 40 K, 40 Ca.

Билет 11. Природа и виды внутримолекулярной химической связи. Примеры соединений с различными видами хим.связи

Различают четыре типа химических связей: ионную, ковалентную, металлическую и водородную.

Ионная химическая связь - это связь, образовавшаяся за счет электростатического притяжения катионов к анионам.

Ковалентная химическая связь - это связь, возникающая между атомами за счет образования общих электронных пар.

Донорно-акцепторный механизм образования ковалентной связи рассмотрим на классическом примере образования иона аммония NH4+:

Металлическая связь
Связь в металлах и сплавах, которую выполняют относительно свободные электроны между ионами металлов в металлической кристаллической решетке, называют металлической.Такая связь ненаправленная, ненасыщенная, характеризуется небольшим числом валентных электронов и большим числом свободных орбиталей, что характерно для атомов металлов. Схема образования металлической связи (М - металл):

_
М 0 - nе <-> М n+

Водородная связь

Химическую связь между положительно поляризованными атомами водорода одной молекулы (или ее части) и отрицательно поляризованными атомами сильно электроотрицательных элементов, имеющих неподеленные электронные пары другой молекулы (или ее части), называют водородной.

В биополимерах - белках (вторичная структура) имеется внутримолекулярная водородная связь между карбонильным кислородом и водородом аминогруппы.

Молекулы полинуклеотидов - ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) представляют собой двойные спирали, в которых две цепи нуклеотидов связаны друг с другом водородными связями. При этом действует принцип комплементарности, то есть эти связи образуются между определенными парами, состоящими из пуринового и пиримидинового оснований: против аденинового нуклеотида (А) располагается тиминовый (Т), а против гуанинового (Г) - цитозиновый (Ц).

Вещества с водородной связью имеют молекулярные кристаллические решетки.

Билет 12. основные положения метода ВС на примере образования катиона NH 4

РАЗМЕРЫ ЯДЕР

Первое измерение размеров ядра было выполнено Резерфордом в 1911 году по рассеянию альфа- частиц на ядрах. В дальнейшем были разработаны и другие методы измерений размеров ядра, но все они основаны на наблюдении рассеяния различных частиц (протонов, альфа-частиц, нейтронов) атомными ядрами.

При анализе опытов по рассеянию заряженных частиц или по поглощению нейтронов под радиусом ядра понимается такое расстояние от его центра, на котором помимо сил кулоновского отталкивания, начинают действовать специфические ядерные силы, вызывающие притяжение частицы к ядру . Проведенные измерения показали, что ядра атомов всех элементов имеют размеры порядка 10 -15 ?10 -14 м, что в десятки тысяч раз меньше размеров атома. Все упомянутые методы позволяют определить то расстояние R от центра ядра, в пределах которого действуют ядерные силы.

R=r 0 МA 1/3 , (2.3)

где А - число нуклонов в ядре, r 0 - постоянная величина равная (1,2-1,5) М10 -15 м. Если считать, что объем ядра приблизительно равен

тогда объем V пропорционален массовому числу -A, стало быть, плотность ядра является константой =A/V, т. е. плотности всех ядер примерно одинаковы. Это указывает на практическую несжимаемость ядерного вещества и плотную упаковку нуклонов в ядре.

ИЗОТОПЫ, ИЗОБАРЫ, ИЗОТОНЫ

Разновидность атомов, ядра которых имеют определенное число нуклонов (протонов и нейтронов), называется нуклидом.

Символическая запись нуклидов включает химический символ ядра Х и индексы слева внизу “Z” (число протонов в ядре) и “А” слева вверху- полное число нуклонов. Например,

В зависимости от содержания нуклонов нуклиды могут быть объединены в различные группы: изотопы, изобары, изотоны.

Изотопными нуклидами (изотопами) называются нуклиды, имеющие одинаковое число протонов. Они различаются только числом нейтронов. Поэтому все изотопы принадлежат одному и тому же химическому элементу. Так, например, изотопы

являются изотопами одного и того же элемента урана (Z= const).

Поскольку изотопы имеют одинаковое число протонов и одинаковое строение электронных оболочек, то они являются атомами близнецами- их химические свойства практически совпадают. Исключение составляют изотопы водорода - протий Н, дейтерий D, тритий Т, которые из-за слишком большого относительного различия атомных масс существенно отличаются по физико-химическим свойствам (таблица 2.1).

Таблица 2.1 Сравнение свойств обычной и тяжелой воды

Химические превращения с тяжелым водородом происходят медленнее, чем с его легким изотопом.

Изотонными нуклидами (изотонами) называют нуклиды с одинаковым числом нейтронов и разным числом протонов. Примеры изотонов: Са и Тi, которые относятся к разным нуклидам. Термин этот употребляется крайне редко.

Изобарами называют разновидность нуклидов, ядра которых имеют разное число и протонов и нейтронов, но имеют одинаковое число нуклонов. Пример изобаров: Тi и Са.

Поэтому можно сказать, что нуклиды с одинаковым числом протонов- это разные изотопы одного элемента; нуклиды с одинаковым числом нуклонов- это изобары; нуклиды с одинаковым числом нейтронов - изотоны.