2. Строение атома и ядра

2.1. Основные определения атомной структуры

Основными элементарными частицами, из которых состоят атомы, являются протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны называют нуклонами и они образуют ядро атомов. Для характеристики атомов используются следующие понятия:

• атомный номер, Z, равный числу протонов в ядре и числу электронов на орбитах атома;

• атомный массовый номер (или массовое число), А, указывающий на суммарное количество нуклонов в ядре;

• атомная масса, M, выражается в единицах атомной массы u, где 1 u равняется 1/12 от массы атома углерод-12 или 931,5 МэВ/с². Атомная масса М немного меньше, чем сумма масс всех нуклонов ядра из-за внутренней энергии, связывающей все нуклоны внутри ядра;

• атомный грамм-атом (г-атом) равен числу грамм, соответствующих N_A элемента, где N_A = 6,022×10²³ атомов в г-атоме (число Авогадро). Атомные массовые номера всех элементов определены так, что А грамм каждого элемента содержит точно N_A атомов.

В ядерной физике принято обозначать конкретное ядро X в виде , гдеА – атомный массовый номер и Z – атомный номер. Например, ядро кобальта-60 идентифицируется как . На практике часто приходится определять следующие величины:

• число атомов N_a на единицу массы элемента:

• число электронов на объем V элемента:

• число электронов на массу m элемента:

Если принять, что масса молекулы равна массе всех атомов, входящих в состав молекулы, то для любого молекулярного соединения в г-моль соединения содержится N_A молекул при условии, что г-моль определяется как сумма атомных массовых номеров атомов, образующих молекулу. Например, г-моль воды H₂O равен 18 г воды и г-моль углекислого газа CO₂ равен 44 г углекислого газа. Таким образом, 18 г воды и 44 г углекислого газа содержат точно по N_A молекул, или по 3 N_A атомов.

В заключение раздела приведем еще несколько понятий:

• нуклид – вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре;

• изотоп – нуклид с числом протонов в ядре, свойственным данному элементу;

• радионуклид (р/н) – нуклид, обладающий радиоактивностью (см. далее);

• радиоизотоп – изотоп, обладающий радиоактивностью.

2. Модель атома Резерфорда

Первая модель атомов была предложена Томсоном. В ней предполагалось, что атом состоит из положительных и отрицательных зарядов, равномерно перемешанных внутри сферического объема. Однако экспериментальные данные по рассеянию α-частиц, полученные Гейгером и Марсденом, противоречили этой модели. Основываясь на этих экспериментальных данных, Резерфорд предположил, что положительный заряд и основная масса атома сосредоточены в атомном ядре диаметром несколько фм, а отрицательные электроны рассредоточены по периферии атома диаметром несколько ангстрем.

1. Модель атома водорода Бора

Бор модифицировал модель атома Резерфрда, сформулировав четыре постулата, которые объединили классический нерелятивистский подход с концепцией квантования углового момента.

Постулат 1:

Электроны вращаются вокруг ядра Резерфорда по четко определенным разрешенным орбитам. Сила кулоновского притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженным ядром уравновешиваются центробежнойсилой гдеv – скорость электрона на орбите.

Постулат 2:

Находясь на орбите, электрон не теряет энергию несмотря на постоянное ускорение.

Постулат 3:

Угловой момент электрона на разрешенной орбите квантуется и задается какгдеn – целое число, называемое главным квантовым числом и гдеh – постоянная Планка.

Постулат 4:

Атом или ион испускают излучение, когда электрон переходит с начальной орбиты с квантовым числом n_i на конечную орбиту с квантовым числом n_f, причем n_i > n_f.

Модель Бора хорошо описывает особенности атома водорода, однократно ионизированного атома гелия, дважды ионизированного атома лития и др. Диаграмма энергетических уровней атома водорода показана на рис. 1.2.

Рис.1.2. Диаграмма энергетических уровней атома водорода (основное состояние: n =1, возбужденные состояния: n >1) (адаптировано из [1])