Заряд любого атома равен

Заряд ядра атома

Атомы любых веществ являются электрически нейтральными частицами. Атом состоит из ядра и совокупности электронов. Ядро несет положительный заряд, суммарный заряд которого равен сумме зарядов всех электронов атома.

Общие сведения о заряде ядра атома

Заряд ядра атома определяет местоположение элемента в периодической системе Д.И. Менделеева и соответственно химические свойства вещества, состоящего их этих атомов и соединений этих веществ. Величина заряда ядра равна:

где Z – номер элемента в таблице Менделеева, e – величина заряда электрона или .

Элементы с одинаковыми числами Z, но разными атомными массами называют изотопами. Если элементы имеют одинаковые Z, то у них ядро имеет равное число протонов, а если атомные массы различны, то число нейтронов в ядрах этих атомов разное. Так, у водорода имеется два изотопа: дейтерий и тритий.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов и нейтронов. Протоном называют стабильную частицу, принадлежащую классу адронов, являющуюся ядром атома водорода. Протон – это положительно заряженная частица. Ее заряд равен по модулю элементарному заряду, то есть величине заряда электрона. Заряд протона часто обозначают как , тогда можно записать, что:

Масса покоя протона () примерно равна:

Подробнее о протоне можно узнать, прочитав раздел «Заряд протона».

Эксперименты по измерению заряда ядра

Первым заряды ядер измерил Мозли в 1913 г. Измерения были косвенными. Ученый определил связь между частотой рентгеновского излучения () и зарядом ядра Z.

где C и B – постоянные не зависящие от элемента для рассматриваемой серии излучения.

Напрямую заряд ядра измерил Чедвик в 1920 г. Он проводил рассеивание – частиц на металлических пленках, по сути, повторяя опыты Резерфорда, которые привели Резерфорда к построению ядерной модели атома.

В этих экспериментах – частицы пропускались через тонкую металлическую фольгу. Резерфорд выяснил, что в большинстве случаев частицы проходили сквозь фольгу, отклоняясь на малые углы от первоначального направления движения. Это объясняется тем, что – частицы отклоняются под воздействием электрических сил электронов, которые имеют значительно меньшую массу, чем – частицы. Иногда, довольно редко – частицы отклонялись на углы превышающие 90o. Этот факт Резерфорд объяснил наличием в атоме заряда, который локализован в малом объеме, и этот заряд связан с массой, которая много больше, чем у – частицы.

Для математического описания результатов своих экспериментов Резерфорд вывел формулу, которая определяет угловое распределение – частиц после их рассеяния атомами. При выводе этой формулы ученый использовал закон Кулона для точечных зарядов и при этом считал, что масса ядра атома много больше, чем масса – частицы. Формулу Резерфорда можно записать как:

где n – количество рассеивающих ядер на единицу площади фольги; N – число – частиц, которые проходят за 1 секунду через единичную площадку, перпендикулярно к направлению потока – частиц; – количество частиц, которые рассеиваются внутри телесного угла – заряд центра рассеяния; – масса – частицы; – угол отклонения – частиц; v – скорость – частицы.

Формулу Резерфорда (3) можно использовать для того, чтобы найти заряд ядра атома (Z), если провести сравнение числа падающих – частиц (N) с числом (dN) частиц рассеянных под углом , то функция будет зависеть только от заряда рассеивающего ядра. Проводя опыты и применяя формулу Резерфорда Чедвик нашел заряды ядер платины, серебра и меди.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание Пластину из металла облучают – частицами, имеющими большую скорость. Некоторая часть этих частиц при упругом взаимодействии с ядрами атомов металла изменяет направление своего движения на противоположное. Каков заряд ядра атомов металла (q), если минимальное расстояние сближения частицы и ядра равно r. Масса – частицы равна ее скорость v. При решении задачи релятивистскими эффектами можно пренебречь. Частицы считать точечными, ядро неподвижным и точечным.
Решение Сделаем рисунок.

Двигаясь в направлении ядра атома – частица преодолевает силу Кулона, отталкивающую ее от ядра, так как частица и ядро имеют положительные заряды. Кинетическая энергия движущейся – частицы переходит в потенциальную энергию взаимодействия ядра атома металла и – частицы. За основу решения задачи следует принять закон сохранения энергии.:

Потенциальную энергию точечных заряженных частиц найдем как:

где заряд – частицы равен: , так как и – частиц – это ядро атома гелия, которое состоит из двух протонов и двух нейтронов, , так как будем считать, что эксперимент проводят в воздухе.

Кинетическая энергия – частицы до соударения с ядром атома равна:

В соответствии с (1.1) приравняем правые части выражений (1.2) и (1.3), имеем:

Из формулы (1.4) выразим заряд ядра:

Ответ

ПРИМЕР 2

Задание Какими будет заряд ядра элемента, который получится после одного – распада и следующего за ним – распада ядра изотопа полония ().
Решение Запишем уравнение – распада :

где – ядро атома гелия или –частица. ( –распад – это ядерная реакция в результате которой одним из продуктов распада являются –частицы). Атомная масса продукта распада меньше на 4, зарядовое число меньше на 2. Далее у нас происходит – распад. Запишем соответствующее уравнение:

где — электрон, так как обязательным продуктом – распада являются электроны. Так как электрон несет отрицательный заряд, то зарядовое число увеличивается на единицу. Масса не изменяется.

Ответ Z=83

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *