Нейтро́н (от лат. neuter — ни тот, ни другой) — элементарная частица, не имеющая электрического заряда. Нейтрон является фермионом и принадлежит к классу барионов. Атомные ядра состоят из нейтронов и протонов.
Содержание
Открытие
Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за это открытие он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.
В 1930 г. В. А. Амбарцумян и Д. Д. Иваненко показали, что ядро не может, как считалось в то время, состоять из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы. [3] [4]
В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он). В том же 1932 г. Д. Д. Иваненко [5] и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
Основные характеристики
Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.
Строение и распад
Считается надёжно установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Близость значений масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.
Поскольку нейтрон тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако, ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни, приблизительно равное 15 минутам, примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.
Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном около 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным. Более того, в нейтроно-дефицитных ядрах происходит распад протона в нейтрон (с захватом орбитального электрона или вылетом позитрона).
Другие свойства
Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).
Нейтрон — единственная [источник не указан 574 дня] из имеющих массу покоя элементарных частиц, для которой непосредственно наблюдалось гравитационное взаимодействие — искривление в поле земного тяготения траектории хорошо коллимированного пучка холодных нейтронов. Измеренное гравитационное ускорение нейтронов в пределах точности эксперимента совпадает с гравитационным ускорением макроскопических тел.
Что такое нейтрон в физике: строение, свойства и использование
Строение нейтрона
В составе нейтрона, определение которого было дано выше, каждый кварк соединен с остальными с помощью глюонового поля. Глюон является частицей, ответственной за образование ядерных сил.
Стабильность нейтрона и ядер атомов
Присутствие нейтронов в атомных ядрах очень важно для их стабильности и возможности существования самой атомной структуры и вещества в целом. Дело в том, что протоны, которые также составляют атомное ядро, имеют положительный заряд. И сближение их на близкие расстояния требует затрат огромных энергий ввиду кулоновского электрического отталкивания. Ядерные же силы, действующие между нейтронами и протонами на 2-3 порядка сильнее кулоновских. Поэтому они способны удерживать положительно заряженные частицы на близких расстояниях. Ядерные взаимодействия являются короткодействующими и проявляют себя только в пределах размеров ядра.
Предпосылки открытия нейтрона
Теоретическое существование нейтрона в физике было предложено еще в 1920 году Эрнестом Резерфордом, который пытался таким образом объяснить, почему атомные ядра не разваливаются из-за электромагнитного отталкивания протонов.
Еще раньше, в 1909 году в Германии, Боте и Беккер установили, что если альфа-частицами больших энергий от полония облучать легкие элементы, например, бериллий, бор или литий, то образуется излучение, которое проходит через любую толщину различных материалов. Они предположили, что это излучение гамма, однако ни одно подобное излучение, известное на тот момент, не обладало такой большой проникающей способностью. Эксперименты Боте и Беккера не были интерпретированы должным образом.
Открытие нейтрона
Существование нейтрона было обнаружено английским физиком Джеймсом Чедвиком в 1932 году. Он изучал радиоактивное излучение бериллия, провел серию экспериментов, получив результаты, которые не совпадали с теми, что предсказывали физические формулы: энергия радиоактивного излучения намного превосходила теоретические значения, также нарушался закон сохранения импульса. Поэтому необходимо было принять одну из гипотез:
Первое предположение ученый отбросил, поскольку оно противоречит фундаментальным физическим законам, поэтому принял вторую гипотезу. Чедвик показал, что радиационное излучение в его экспериментах образовано частицами с нулевым зарядом, которые обладают сильной проникающей способностью. Кроме того, он смог измерить массу этих частиц, установив, что она немного больше таковой для протона.
Медленные и быстрые нейтроны
В зависимости от энергии, которой обладает нейтрон, он называется медленным (порядка 0,01 МэВ) или быстрым (порядка 1 МэВ). Такая классификация важна, поскольку от скорости нейтрона зависят некоторые его свойства. В частности, быстрые нейтроны хорошо захватываются ядрами, приводя к образованию их изотопов, и вызывая их деление. Медленные же нейтроны плохо захватываются ядрами практически всех материалов, поэтому они могут беспрепятственно проходить сквозь толстые слои вещества.
Роль нейтрона в делении ядра урана
Если задаваться вопросом, что такое нейтрон в ядерной энергетике, то можно с уверенностью сказать, что это средство индуцирования процесса деления ядра урана, сопровождаемое выделением большой энергии. Во время этой реакции деления также порождаются нейтроны различных скоростей. В свою очередь образованные нейтроны индуцируют распад других ядер урана, и реакция протекает цепным образом.
Если реакция деления урана будет неконтролируемой, то это приведет к взрыву реакционного объема. Данный эффект используется в ядерных бомбах. Контролируемая реакция деления урана является источником энергии в ядерных электростанциях.
Нейтро́н — элементарная частица, не имеющая заряда. Нейтрон принадлежит к классу барионов.
Не следует путать с нейроном.
Содержание
Открытие
Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Дж. Чедвику, за которое он получил Нобелевскую премию по физике в 1935 году.
В 1930 Вальтер Боте и Г. Бекер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть таким образом интерпретированы. Важный вклад сделали в 1932 Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 английский физик Джеймс Чедвик провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Он предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и произвёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами от латинского корня neutral и обычного для частиц суффикса on (он).
Основные характеристики
Несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей. Античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.
Строение и распад
Считается установленным, что нейтрон является связанным состоянием трёх кварков: одного «верхнего» (u) и двух «нижних» (d) кварков (кварковая структура udd). Поразительная близость масс протона и нейтрона обусловлена свойством приближённой изотопической инвариантности: в протоне (кварковая структура uud) один d-кварк заменяется на u-кварк, но поскольку массы этих кварков очень близки, такая замена слабо сказывается на массе составной частицы.
Поскольку нейтрон всё же тяжелее протона, то он может распадаться в свободном состоянии. Единственным каналом распада, разрешённым законом сохранения энергии и законами сохранения электрического заряда, барионного и лептонного квантовых чисел, является бета-распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрино (а также, возможно, гамма-квант). Поскольку этот распад идёт с образованием лептонов и изменением аромата кварков, то он обязан происходить только за счёт слабого взаимодействия. Однако ввиду специфических свойств слабого взаимодействия, скорость этой реакции аномально мала из-за крайне малого энерговыделения (разности масс начальных и конечных частиц). Именно этим объясняется тот факт, что нейтрон является настоящим долгожителем среди элементарных частиц: его время жизни примерно в миллиард раз больше времени жизни мюона — следующей за нейтроном метастабильной частице по времени жизни.
Кроме того, разница масс между протоном и нейтроном порядка 1,3 МэВ невелика по меркам ядерной физики. В результате, в ядрах нейтрон может находиться в более глубокой потенциальной яме, чем протон, и потому бета-распад нейтрона оказывается энергетически невыгодным. Это приводит к тому, что в ядрах нейтрон может быть стабильным.
Изоспины нейтрона и протона одинаковы (1/2), но их проекции противоположны по знаку. Проекция изоспина нейтрона по соглашению в физике элементарных частиц принимается равной −1/2, в ядерной физике +1/2 (поскольку в большинстве ядер нейтронов больше, чем протонов, это соглашение позволяет избегать отрицательных суммарных проекций изоспина).
В древние времена считалось, что все состоит из земли, воды и воздуха, другого — нет. И сравнительно недавно люди смогли показать всю составляющую нашего мира. Важным вопросом было: что из себя представляет вещество?
Вещество — это материя, которая есть во всех физических телах на нашей планете.
Оно может быть простым и сложным.
Различие этих двух групп состоит в том, что простые вещества состоят из одного вида атомов, а сложные — из нескольких, поэтому впервые в ходе реакций не могут раскладываться на другие атомы, как это делают вторые.
Образцом сложного вещества можно назвать воду (H2O). Если провести химическую реакцию, то оно образует 2 элемента — водород (Н) и кислород (О). То, что получилось, — простые вещества, без последующего разложения.
В 19 веке считалось, что сами элементы не поддаются изменениям и независимы от объединения. Но такие высказывания были опровергнуты русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым, который доказал обратное, при этом указав на то, что качественная характеристика каждого элемента влияет на его атомный вес, из-за чего происходит повтор их свойств. Это умозаключение он олицетворил в своей периодической системе, назвав в честь себя.
Атом — мелкая частица, которая не разлагается в реакции на другие компоненты.
Есть что-то меньше вещества — это атомы.
Атомы можно различать по нескольким параметрам (приведем самые распространенные):
Любой атом отличается от частицы другого элемента. Если сравнить атом водорода (Н) с атомом кислорода (О), то, очевидно, что у них будет несоответствие по многим характеристикам.
Размер атома
Если сравнить размеры атома и составляющих его частиц, то первый преобладает по своим масштабам. Ядро атома — ничто, по сравнению с ним самим. Взяв один кубический метр платины (Pt) и сплюснув его до такого состояния, где атомные расстояния просто бы исчезли, то он его кубический метр превратился бы в кубический миллиметр.
Из определения атома следует, что это маленькая частица. По форме они напоминают шар, а размер их поперечников составляет стомиллионную долю сантиметра. Чтобы это было нагляднее, рассмотрим поперечник атома водорода (Н), считающийся самым маленьким. Его размер составляет 10-8 доле сантиметра. Большим атомом является уран (U), чья величина составляет 3 х10-8 долей сантиметра.
Масштаб и вес атомов небольшие.
Вес атома
Чтобы посчитать вес какого-либо элемента, принято использовать 0,0625 долю кислорода (О), которая показывает насколько значение этого элемента больше. Если обратиться к таблице Менделеева, то можно увидеть под номерами всех элементов цифру, обозначающую атомный вес. Например, у водорода (Н) он составляет 1,008 (значение округляется, поэтому 1),а у радия — 226,025 (или же 226).Тут можно проследить разницу веса.
На заметку: при работе с периодической таблицей учтите, что если у вещества номер выше, тем вес атома будет больше.
Чаще всего у многих их вес будет дробный. Это объясняется тем, что они вмещают определенное количество частиц со своим весом, но признаки у всех абсолютно идентичны. Но такое не только у атомов. То же самое есть и самих элементов. Их называют изотопами.
Изотопы — химические элементы, занимающие один порядковый номер, но разную массу ядер.
Изотопы есть практически у каждого элемента (у кальция (Са) их целых четыре), при этом, чаще всего, их выводят искусственным путем.
Элементарные частицы
Протоны, нейтроны
Протоны — положительно заряженные части ядра. Заряд равен заряду электрона. Вес составляет 0,0625 грамм.
Нейтроны — нейтральная часть ядра. Чтобы узнать их значение, нужно из атомного веса элемента вычесть значение протонов (= электронов).
Поскольку электроны отделены от своих “напарников”, кружась вокруг них, стоит уделить им отдельное внимание.
Электроны
Электроны — частицы, у которых самый маленький отрицательный электрический заряд.
До настоящего времени считалось, что атомы, разложенные из элементов, являются конечным продуктом. На сегодняшний день эта мысль была развеяна учеными, которые доказали, что даже эти разложенные атомы содержат в себе крохотные молекулы.
Обратимся к одной из гипотез, объясняющую вещественную структуру. Там говорится, что элементный атом — некая совокупность, где есть центр, вокруг которого происходит вращение других крупинок.
Начнем с рассмотрения окраин центра, а именно с электронных уровней и электронов.
Как и говорилось ранее, значение электронов такое же, как и у протонов.
Масса электрона зависит от его скорости. Поговорив про массу “покоя”, которая есть у всех тел на Земле, нужно посмотреть и на массу “скорости”. Когда электрон занимается перемещением, то он образовывает электромагнитное поле. Оно играет большую роль, ибо именно из-за проявления ее инертных свойств набирается масса и энергия, передавая это все частицам. Сделаем вывод, что ускоренный динамизм этой частицы, приводит к набору его веса.
Но перемещение электронов не происходит ровно. Научно доказано, что эти частицы двигаются волнообразно из-за интерференции и дифракции.
Интерференция электронов — слияние нескольких волн электронов.
Дифракция электронов — волновое обтекание области места, через которое проходит ток.
Помимо того, что электроны двигаются волнами, так еще они крутят вокруг самих себя. Крутящееся и волновое движение говорит о нем (электроне) как о некоем магните.
Все три вида элементарных частиц фигурируют в постоянном обменивающемся контакте. Между электроном и протоном возникает связь, заставляющая их содействовать, поскольку их заряды противоположны, а вот две одинаковые частицы (например, два электрона) отталкиваются, т.к. заряды одинаковы (так же и у протона).
Нахождение частиц у элемента
Найти у какого-либо элемента эти частицы несложно. Разберем это на примере алюминия (Al).
Его порядковый номер — 13, соответственно, это есть ядро. Атомная масса алюминия составляет 26,98154 (значение округляется, поэтому 27). Протоны равны массе заряда (р=13), так же и электроны (е=13). Чтобы узнать значение нейтронов, нужно из атомной массы вычесть значение заряда ядра (n=27-13=14).
Взаимосвязь частиц
Каждая частица имеет свое электрическое поле, через которое оно “соприкасается” с остальными. Такие поля можно обозначить определенной материей, в которой, помимо этих частиц, есть и другие, наполняющие эту материю — фотоны.
Фотон — частица, не имеющая массы. Является переносчиком электромагнитного “общения”.
Все они имеют конкретный запас энергии. Именно через фотоны происходит коммуникация частиц. В такой связи происходит “бартер” фотонами, что служит для хорошей энергетической силы, то есть взаимосвязи частиц.
И в самом ядре происходит “общение” протона и нейтрона, но здесь уже нет электрического поля, поскольку нейтрон его не образовывает. Здесь все проходит при помощи особого поля, исходящего от ядра.
Ядерное поле — вид материи, который состоит из протонов, нейтронов и мезонов.
Мезон — частица, которая способствует взаимодействию протонов и нейтронов, а также влияет на то, чтобы эти частицы оставались в ядре.
Благодаря мезонам, протоны и нейтроны способны внутри своего ядра передавать определенную информацию путем ядерной силы. Ее работа в ядре происходит на определенной дистанции (приблизительно сантиметров).
Ядерная сила — сила влияния протона и нейтрона друг на друга.
Ядерные силы, происходящие внутри ядра, способны делать из протонов нейтроны и наоборот при помощи мезонов.
Можно сказать, что ядерные силы намного мощнее электрических, но вместе они не дают протонам выйти за границы ядра. Несмотря на то, что частицы сопротивляются, объединение двойной силы подавляет их, при этом создавая крепкое ядро. Из-за них и зависит его прочность.
Все три частицы называются элементарными, потому что их невозможно разложить на другие упрощенные элементы, но они могут становиться и образовываться друг из друга.
Химическое строение атомов
Работа электрона
Структура водорода (Н) заслуживает внимания. Это единственный элемент, который содержит в себе две частицы — один протон, находящийся в ядре, и один электрон, вращающийся вокруг него. Но даже тут есть нюанс: у электрона нет определенного барьера, отгораживающего его от окружающей среды.
Путь электрона вокруг ядра достаточно пластичен и поддается изменениям (причиной может стать увеличение массы электрона). А поскольку в ядре и на оболочке противоположно заряженные частицы, то они имеют свойство присоединяться. Но есть один момент: когда отрицательно заряженная частица облетает ядро, то образовывается центробежная сила, которая пытается максимально отдалить частицу. Все эти моменты создают спорную ситуацию.
Получается, что электрон водорода (Н) находится неподалеку от протона, сохраняя минимум своей энергии. Но если какая-либо частица вторгнется в данную схему, и водород (Н) отдалится от ядра, то его энергия станет больше, но не надолго. Дело в том, что электрон все равно будет пытаться вернуться на место, приближенное к ядру. Электрон таким действием (переходом на другую орбиту) предоставил определенную часть своей энергии — лучистой энергии.
Если электрону дадут энергию, то он перейдет на другое место (чем больше энергии, тем дальше от протона). При этом, когда он будет возвращаться к ядру, то будет происходить активная выработка электромагнитной энергии с последующем излучением.
Когда ученые наблюдали за такими переходами этой частицы, они сделали вывод, что как и в любом элементе, так и в водороде (Н) электрон может совершать отойти только на конкретный круг, опираясь на полученное извне питание.Слои, на которых электрон способен перемещаться, называют дозволенными.
Работа протона и нейтрона в ядре
Как говорилось ранее, протон и электрон водорода (Н) — разноименные и аналогичные по значениям, поэтому их совместный заряд составляет — ноль. Из этого выходит, что водород (в обычном его состоянии) — нейтральная частица.
Такой вывод относится ко всем элементам из таблицы Менделеева. Все их атомы в нормальном состоянии нейтральны из-за равновесия разных зарядов.
Вернемся к ядру водорода (Н). Известно, что в нем находится только один протон. Обратимся к массе ядра.
Масса ядра — общее число протонов и нейтронов внутри ядра. Ее можно найти у всех элементов периодической таблицы.
Согласно этому, масса ядра водорода тоже будет составлять один (так как есть 1 протон и полностью отсутствуют нейтроны).
Что говорилось выше, относилось к природному водороду (Н), равному единице. Но существует еще и тяжелый водород (Н) — он же изотоп дейтерий (2H, имеет название тяжелого водорода). Масса равна двум. Если в ядре простого водорода (Н) всего лишь один протон, то у дейтерия — дейтоны.
Дейтон — объединение протона и нейтрона в ядре.
Водород и его изотопы
Несмотря на то, что вес водорода и его изотопов различается, их объединяют некоторые общие свойства. Например, если самый простой водород (Н) вступит в связь с кислородом (О), то получится вода (Н2О). То же самое происходит и в цепи дейтерия ( 2H) и кислорода (О). У этого изотопа тоже на выходе получается вода, но тяжелая, которая пользуется спросом в производстве атомной энергии.
Из примера можно сделать вывод, главную роль в химических свойствах играет электронная оболочка и ее устройство, а не массу ядра. Водород и его изотопы несут в себе разную массу, но общее у них — это электроны возле ядра, которые и сохраняют идентичные свойства.
Водород (Н) взял первое место в менделеевской таблице. Такое решение было неслучайным. Как мы знаем, порядковый номер напрямую зависит от числа заряда ядра. То же самое и у водорода (Н) (номер в таблице — один = заряд ядра — один). Если правильно сказать, то: всякое вещество, занимающее место в периодической таблице Менделеева, имеет свой порядковый номер, соотносящийся заряду ядра и числу электронов на его оболочках.
Из всего сказанного получается, что водород (Н), занимающий первое место, имеет заряд ядра — +1 и один электрон на орбите.
Гелий и его изотопы
На втором месте в таблице стоит гелий (Не). Как и говорилось ранее про все элементы, его номер и заряд ядра однозначны, поэтому второй будет равен +2 (внутри ядра два протона), а оболочка будет содержать два электрона.
Как и все составляющие таблицы, гелий (Не) имеет изотопы. Их целых девять, но самыми стабильными из них считаются легкий и тяжелый, поэтому ими пользуются чаще. Рассмотрим первый.
Легкий гелий (³Не, еще имеет название гелион). Масса его ядра составляет 3, состоит из двух протонов, одного нейтрона и трех электронов на оболочке. Считается, что содержание гелиона в природном гелии 1/1 000 000 тяжелого гелия. Выводится искусственным путем.
Тяжелый гелий (⁴Не). Считается самым востребованным из всех изотопов гелия (Не). Ядро содержит два протона и два нейтрона, а на орбитах расположены четыре электрона.Образовывает около 99% гелия на нашей планете. Есть забавный факт про это вещество: если охладить его (-271 ºС) и поместить в открытую емкость, то этот изотоп вытечет из нее.
Затруднение состава атома в элементе обусловлено возрастанием объема элементарных частиц: протонов и нейтронов в ядре и электронов на оболочке. При помощи таблицы Менделеева можно узнать все эти необходимые данные об элементе (а именно про частицы).
Радиоактивные элементы
У тяжелых элементов есть и подразделение радиоактивных. Они отличаются тем, что их ядра настолько непрочны, что они способны самостоятельно расщепляться на отдельные частицы. Радий (Ra) — самый известный радиоактивный химический элемент. Его порядковый номер — 88. Масса атома равна 226 (если быть точнее, то 226,025).
Состав протонов в ядре — 88, а нейтронов — 138. Все они занимаются распадом, где позже они трансформируются в атомы радона (Rn, радиоактивный газ, номер в периодической таблице — 86). Все происходит точно так же: атомы радона (Rn) занимаются распадом, после чего тоже преобразовываясь в другие элементы.
Электронные оболочки
Электронные оболочки — это тоже важная часть, без которой представление какого-то химического элемента просто не было бы. Как было рассмотрено ранее, электроны единственные, кто размещен за ядром, при этом крутится вокруг него, собираясь определенными группами по разным “отсекам”.
Познание с ядрами и их частицами подошло к концу, поэтому теперь стоит уделить внимание тому, что находится за пределами этой главной точки.
Нахождение электронных оболочек и его содержимого
Чтобы определить количество электронных слоев элемента, нужно обратиться к его номеру периода. Например, алюминий (Al) с порядковым номером 13, находится в третьем периоде, поэтому число его слоев равно 3.
Еще одной удивительной характеристикой оболочек является закрепленное число электронов, которые могут находиться на слое. На первой орбите могут расположиться два электрона, на втором — восемь, на третьем — 16 и т.д. (с каждым разом нужно умножать на четыре).
Завершенным считается тот слой, который достиг окончательного предела. Электроны, которые расположены дальше всего от ядра, более активны, поэтому предпочитают вступать в контакт с другими атомами (научно это можно назвать валентностью). Число электронов на внешней оболочке зависит от номера группы. Например, бор (В) имеет заряд — +5, он находится во втором периоде, поэтому количество электронных слоев равно двум. Первый слой равен двум, а второй — трем, поскольку бор (В) находится в 3 группе.
Когда электронный слой полностью заполнен, то он считается стабилизированным. Это говорит о том, что атому не требуется брать дополнительные силы (электроны) из окружающей среды или других веществ. Если взять гелий (Не), у которого два электрона, находящиеся на одной оболочке, а у неона (Ne) электронов десять, располагающиеся на двух электронных слоях(на первом — 2, на втором — 8). Из этого выходит, что и гелий, и неон полностью заполнены, поэтому они не нуждаются в посторонней помощи, так как их оболочки завершенные. Такие элементы являются инертными в химическом плане (не идут на контакт с другими элементами, чтобы “занять” или “обменяться” этими частицами).
Но таких самодостаточных элементов достаточно мало, больше всего тех, где на внешней оболочке будет не хватать электронов, поэтому такие элементы охотнее прибегают к воздействию с другими. Калий (К) имеет 19 электронов, находящихся на четырех слоях (первый — 2, второй — 8, третий — 8, четвертый — 1). Больше всего интересует последняя оболочка. Поскольку там всего лишь один электрон, который очень далеко от ядра, то последнее не в силах удержать электрон, поэтому он с легкостью может перейти к другому элементу.
Если же взять кислород (О), у которого восемь электронов и две электрические оболочки (на первом — 2, на втором — 6). Как видно, второй слой является незавершенным, до предела ему не хватает еще двух частиц. Кислород пытается сохранить недостающее число, а также найти два электрона, чтобы завершить свой последний круг. Это может произойти в реакции с другими элементами, у которых внешний слой тоже является незавершенным и достаточно отдаленным от ядра, чтобы тот, в свою очередь, не пытался что-либо удержать.
Элементы с проблемой недостатка электронов довольно энергичны в реакциях друг с другом, поскольку у них есть потребность в присоединении или отдаче нужного числа электронов.
Распределение электронов по слоям
Размещение электронов на оболочках происходит в установленном для них порядке. Если же получается, что частица изменяет свое местонахождение или число, то электронный слой просто меняется (а именно его физические и химические свойства).
Одинаковое число протонов и электронов в элементе является доказательством того, что общий заряд (электрический) равняется нулю.
Изменение количества двух этих частиц способно привести к тому, что атом преобразуется в электрически заряженный.
Если же у атома возникает проблема с большим объемом электронов, он меняется на отрицательный ион.
Ион — заряженная молекула. Ионы бывают катионами и анионами. Есть во всех веществах.
Катион — положительный ион.
Анион — отрицательный ион.
Хлор (Cl), который вобрал в себя всего лишь один электрон, превращается отрицательным ионом (или же анионом). Такой ион будет считаться однозарядным, так как вместил в себя одну частицу. Писаться он будет уже так: Cl⁻.
Кислороду (О), чтобы стать отрицательным ионом, нужно присоединить два электрона. Он будет считаться двухзарядным. Записываться будет вот так: О⁻.
Когда атом превращается в ион, то для окружающего мира он является системой, которая электрически заряжена, что подразумевает появление определенного электрического поля, объединяющее и сам атом, и все происходящее в его зоне контроля. Это электрическое поле позволяет атому контактировать с другими такими же частицами, имеющими заряженность (ионы, электроны и т.д.).
Как и в остальных случаях, ионы, обладающие разными зарядами, притягиваются химически, что приводит к появлению новых, сложных частиц. Ими считаются молекулы.
Окисление
Степень окисления — заряд элемента, находящегося в соединении, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную.
Частицы в реакциях
Когда происходит химическая реакция, электроны либо объединяются, либо переходят к более отрицательному атому, чтобы стать заряженными.
Если бы вещества состояли только из ионов, то их заряды имели целые числа, которые равнялись бы количеству электронов (отданных или не отданных). Рассмотрим хлорид натрия (NaCl). Хлор (Cl) отнимает у натрия (Na) один электрон, при этом два элемента становятся ионами, но с разными зарядами. Натрий (Na) становится положительным, то есть катионом (записывается Na⁺¹), а хлор (Cl) — отрицательным, то есть анионом (записывается Cl⁻¹). Перейдем к соляной кислоте (HCl).
В этой паре хлор (Cl) считается самым отрицательным в электрическом плане, поэтому все два электрона (от водорода (Н) и от него) больше направлены к хлору (Cl), а если электрон водорода (Н) перейдет к хлору, что заряды будут полными, а не частичными как в первом случае. Правильная запись выглядит вот так: H+1CI-1.
Эти надстрочные значки и являются степенью окисления.
Правила записи степени окисления
Чтобы правильно записать степень окисления, нужно знать несколько правил:
Пример степени окисления: H+2O-2
Пример заряда иона: AL3+ii.
Вычисление степени окисления
Вычисление степени окисления проводится по некоторым пунктам, которых стоит придерживаться:
1.Есть элементы, у которых степень окисления неизменна, к ним относятся:
Бывает такое, что соединение из трех составляющих. Ни в коем случае нельзя делать так, как в соединении двух элементов. Значение первого и последнего элементов известны, а значение третьего нужно считать по специальной формуле.
Пример
Возьмем Н3РО4 (фосфорная кислота).
Здесь будем использовать уравнение.
Мы знаем, что сумма всех элементов должна быть нулем, поэтому приравниваем весь пример ему. Перед водородом (Н) стоит цифра 3, поэтому его степень умножаем на это число, то же самое и с кислородом (О). Фосфор (Р) у нас неизвестен, поэтому обозначаем его иксом. Дальше решаем обычным уравнением и вписываем полученное значение над ним.
Если говорить про степень окисления и валентность, то это абсолютно разные вещи. Первое имеет отрицательное или нулевое значения, а второе только положительное.
Заключение
Эта тема переплела два ответвления — физику и химию, показывая всю многогранность нашей природы и взаимосвязь этих наук. Как мы поняли, некоторые моменты до сих пор непонятны нам, но ученые не останавливаются на достигнутом, продвигаясь дальше. Данный предмет обсуждения, находящийся в этой работе — базовые понятия, написанные доступным языком.
Этот материал разбирал такие маленькие, но важные для нас моменты — атомы, которых мы не видим, хотя они влияют на все вокруг, даже на нас самих.
Чтобы лучше усвоить материал, здесь собраны ключевые моменты из текста, требующие особого внимания:
Короткое, но познавательное видео про элементарные частицы:
