5.3. Какими процессами сопровождается образование атомных ядер?
Устойчивость атомных ядер (способность протонов и нейтронов к удерживанию в компактной структуре размером 10–15…10–14 м) обеспечивается за счёт слабого взаимодействия. Оно, в частности, препятствует взаимному электростатическому отталкиванию одноимённо заряженных протонов. При этом происходят следующие изменения:
НЕЙТРОН В СОСТАВЕ ЯДРА СТАНОВИТСЯ СТАБИЛЬНЫМ. В свободном же состоянии он неустойчив и самопроизвольно распадается на протон, электрон и нейтрино:
n0 → р+ + e– + e
Образование ядра – энергетически выгодный процесс, он происходит с выделением энергии. Исходя из формулы А. Эйнштейна, связывающей массу и энергию, величина этой энергии пропорциональна изменению массы ядра относительно массы исходных частиц:
Е = mc2, ΔЕ = Δmc2,
где с – скорость света в вакууме.
Как известно, при радиоактивном распаде выделяется энергия. При этом МАССА ЯДРА оказывается МЕНЬШЕ СУММЫ МАСС ЧАСТИЦ, его составляющих. Это явление получило название ДЕФЕКТА МАССЫ. Выделение энергии ΔЕ, сопровождающееся возникновением дефекта массы Δm на практике используется в ядерной энергетике.
При этом в абсолютном выражении изменение массы настолько мало, что при округлённом выражении в а.е.м. соблюдается постоянство суммы масс исходных частиц и продуктов ядерной реакции. Кроме того, соблюдается постоянство суммы их зарядов.
Цепные ядерные реакции в зависимости от условий протекания могут быть управляемыми и неуправляемыми. Первый случай соответствует процессам, протекающим в реакторах атомных электростанций. Второй случай соответствует принципу действия ядерного оружия, а также ситуации, когда управляемая реакция выходит из-под контроля (например, при аварии на АЭС).
Значительная энергия может выделяться не только в процессе самопроизвольного деления нестабильных ядер, но и при реакциях термоядерного синтеза. Сущность таких реакций состоит в объединении «лёгких» ядер (например, двух ядер водорода в ядро гелия и т.д.). Энергия, выделяемая при реакциях термоядерного синтеза, оказывается в тысячи раз больше, чем при самопроизвольном распаде нестабильных ядер.
5.4. Какое определение является наиболее корректным для молекул?
МОЛЕКУЛА (от лат. molecula – «масса») – НАИМЕНЬШАЯ СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ВЕЩЕСТВА, сохраняющая его свойства. Это понятие применимо только к веществам молекулярного строения.
Структурными единицами молекул являются АТОМЫ (см. п. 5.1). Они взаимно удерживаются за счёт перекрывания своих внешних (валентных) электронных оболочек с образованием новых (молекулярных) орбиталей. При этом из неспаренных (одиночных) электронов отдельных атомов образуются пары. Вообще, одно из определений химии – НАУКА О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВНЕШНИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ОБОЛОЧЕК АТОМОВ. В ходе химических реакций происходит рекомбинация (перегруппировка) атомов с образованием новых молекул.
Рассмотрим образование молекул простых веществ на примере водорода (Н2), кислорода (О2) и азота (N2), атомы которых имеют соответственно по одному, два и три неспаренных электрона. При этом каждая валентная электронная пара схематически обозначается чертой.
Вещества, молекулы которых составлены из атомов разных элементов, называются сложными (например, углекислый газ СО2, структурная формула О=С=О).
Важный параметр молекулы – её масса. Подобно массе атомов (см. п. 5.1), она для удобства выражается в относительных величинах – в атомных единицах массы (а.е.м.).
В химии широко используется понятие «МОЛЬ». 1 моль – такое количество вещества, которое содержит постоянное число (число Авогадро) структурных единиц (атомов, молекул, ионов). Масса 1 моля вещества (молярная масса), выраженная в г/моль, численно совпадает с молекулярной или атомной массой, выраженной в а.е.м.