ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Ядерная модель атома из "Современная общая химия Часть 1" Расскажем вкратце об истории открытия ядерной модели атомов, а затем перейдем к обсуждению некоторых их свойств, имеющих особо важное значение для химии. [c.67] Для установления шкалы атомных весов элементов предла-галп использовать различные единицы, в том числе водород, массу которого полагали равной единице, или кислород, массу которого принимали равной 100 либо 16 условным единицам (в различных шкалах). В настоящее время наиболее употребительна шкала измерения атомных масс элементов, согласно которой масса наиболее распространенного в природе изотопа углерода полагается равной точно 12. Эта шкала принята и в данной книге. [c.71] На основании этого можно сделать вывод, что расстояния между ядрами, составляющие около 10 см, намного превышают собственные размеры ядер, радиус которых оценивается в 10 см (по порядку величины). Объем, занимаемый ядром [около (10- ) = 10 см ], составляет ничтожную долю пространства между ядрами, равного приблизительно (10 ) = = 10-24 смз. Таким образом, всего одна миллионная от одной миллиардной части объема вещества занята ядрами его атомов. Плотность массы ядерного вещества должна быть примерно в 10 раз больше, чем плотность всего вещества. Плотность ядерного электрического заряда также намного превышает плотность заряда вещества в целом, причем здесь также обнаруживается соотношение 10 1 Именно вследствие наличия большой плотности заряда и массы у ядер вещества альфа-частицы в опытах Резерфорда отражались назад. [c.73] Однако следует учитывать возможность другой модели, в которой отрицательный электрический заряд представляет собой диффузное облако, окружающее ядро, но не содержит различимых в отдельности частиц, каковыми являются электроны. В качестве аналогии рассмотрим больщую каплю воды, падающую в атмосфере. Если сообщить этой капле достаточную энергию, то можно разбить ее на меньшие капли. В большой капле есть уже все, что необходимо для получения из ее иескольких мелких капелек, кроме требующейся для этого энергии, и все же до момента разделения капли мы пе стал бы утверждать, что в большой капле реально существуют маленькие капельки. [c.74] Еще с того времени, как Праут выдвинул предположение, что-атомы могут состоять из частиц водорода, ученые заинтересовались, почему многие элементы имеют лишь приблизительно целые атомные веса. Этот интерес еще более усилился, когда Томсон (в 1913 г.), а также Астон, Демпстер и др. (после 1919 г.) показали, что Праут был гораздо ближе к истине, чем это казалось. До 1913 г. было возможно осуществлять взвешивание лишь больших агрегатов атомов и, следовательно, получать лишь средние атомные веса, но в 1913 г. Томсон изобрел масс-спектрометр, пытаясь определять массы отдельных атомов. [c.74] Неон имеет три устойчивых изотопа с массами 20, 21 и 22 и относительным содержанием 90,92, 0,257 и 8,82 соответственно. [c.75] Имя Праута, как и Демокрита, осталось в науке благодаря его догадке и высказанной на ее основе теории. Хотя эта догадка не была подтверждена опытными фактами, которые могли бы убедить современников в правоте Праута, позднее появились новые данные, подтвердившие его предположения и заставившие-ученых принять его теорию. В истории нередки случаи, когда удача и интуиция брали верх над непосредственной логикой и фактами . Мы увидим, что многие последующие догадки имелц такую же историю. Однако следует помнить, что опытные факты гораздо чаще побеждают интуицию. И все же в науке хороши любые способы решения возникающих проблем. В ней применимы любые методы, и только время может подтвердить правоту пли ошибочность сделанных выводов. [c.76] В 1932 г. модель строения вещества казалась чрезвычайно простой. В то время представлялось, что все ядра содержат определенное число нейтронов и протонов, все атомы содержат простые ядра и определенное число электронов, все молекулы образованы определенными сочетаниями атомов, все чистые вещества содержат определенные молекулы, а все предметы состоят нз различных смесей чистых веществ. Таким образом, три элементарные частицы — нейтроны, протоны и электроны — позволяли полностью объяснить строение любого вещества и все наблюдаемые превращения веществ. [c.77] С 1932 г. ученым, занимавшимся субструктурой атома и внутриатомных полей, все стало представляться значительно сложнее и сложнее. Позже мы обсудим подробнее некоторые из этих проблем, а пока заметим лишь, что для всех ученых, за исключением непосредственно занимающихся ядерными исследованиями, нейтронно-протонная теория кажется и в наше время вполне удовлетворительной, и поэтому мы вполне можем воспользоваться ею для объяснения тех систем, с которыми нам придется иметь дело в данной книге. [c.77] По-видимому, большинство, если не все теории во всех областях знания недостаточно совершенны. Мы пользуемся теориями потому, что они помогают нам запоминать и связывать между собой сделанные ранее открытия, а также предсказывать направления дальнейших исследований и ставить новые эксперименты. Мы видоизменяем теории только в тех случаях, когда это оказывается единственной возможностью объяснить новые факты. Но в каждом конкретном случае мы применяем такую теорию и соответствующее ей объяснение, которые как можно более просты и основаны на наименьшем количестве предположений и все же позволяют прийти к результатам, согласующимся с экспериментом. [c.78] Мы можем проверить пригодность нейтронно-протонной теории, применив ее к объяснению ядерных реакций. Наиболее распространенными являются такие три типа самопроизвольных ядерных процессов альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-частицы имеют массу 4 и положительный заряд 2 и излучаются ядрами больщинства элементов с массовыми числами, превышающими 208. Это явление можно представить себе, как выброс из тяжелого ядра плотно упакованного осколка (называемого обычно пакетом ), который содержит 2 протона (с общим зарядом 2 и массой 2) и 2 нейтрона (с общим зарядом О и массой 2). [c.78] Р1нтересно отметить, что такая реакция может происходить и с нейтронами, не находящимися внутри атомного ядра. В уравнениях ядерных реакций обычно указывают заряд (внизу слева от символа частицы) и массу (вверху слева) каждой частицы, чтобы можно было проверить соблюдение законов их сохранения, как это показано в уравнении 2.1. [c.79] При бомбардировке атомов частицами с большой энергией (например, нейтронами, протонами, альфа-частицами и т. п.), имеющими энергию порядка 10 ккал/моль, получается множество различных продуктов происходящих при этом ядерных реакций. В табл. 2.4 указаны некоторые наиболее типичные реакции и приведено их объяснение в рамках нейтронно-протонной теории. Примечание. В одном из приведенных в этой таблице примеров имеется численная ошибка. Исправьте ее.) При очень высокой энергии бомбардирующих частиц, порядка 10 ° ккал/моль, происходит образование частиц с большими энергиями (называемых мезонами, барионами и т. д.), которое не может быть достаточно просто объяснено в рамках нейтронно-протонной теории. Однако, поскольку такие частицы с высокими энергиями имеют очень небольшую продолжительность жизни (порядка 10 с или еще меньше) и не обнаруживаются в большинстве химических исследований, мы можем пока не обращать внимания на этот недостаток нейтронно-протонной теории. [c.79] Первыми указаны частицы, чаще всего испускаемые при бомбардировке конкретными частицами. [c.80] Происходящее при этом превращение протона в нейтрон делает ядро более устойчивым. [c.82] Заметим, что обсуждавшееся выше уравнение свободной энергии АО = ДЯ—TAS применимо и к ядерным реакциям. Возможны лишь такие ядерные реакции, для которых величина AG отрицательна. Если величина АН отрицательна (при реакции образуются более прочные ядерные связи, чем разрываемые) или величина AS положительна (в результате реакции происходит увеличение степеней свободы образующихся частиц по сравнению с исходными, особенно если это происходит прп высоких Т), ядерная реакция может протекать самопроизвольно. Именно поэтому большинство самопроизвольных ядерных реакций сопровождается выделением большой энергии (АЯ =—) и испусканием различных частиц (AS = -f). Выделяющаяся в ядерных реакциях энергия нередко может быть так велика, что ее можно измерять как потерю эквивалентного количества массы (табл. 2.5). [c.82] Экспериментальные данные не дают никаких оснований считать, что в каких-либо ядрах содержатся электроны. И все же в некоторых из рассмотренных выше ядерных реакций обнаруживается появление электронов. Приведем такую аналогию разумеется, внутри человека нет никаких слов, и все же он произносит их. Точно так же можно сказать, что, хотя вн.утри лампы нет никакого света, она излучает его. По-видимому, по крайней мере на субатомном уровне, можно получать новые частицы и добиваться их испускания, хотя этих частиц не существует до начала излучения. Мы знаем, что в таких процессах должны соблюдаться законы сохранения электрического заряда и сохранения или превращения массы и энергии, однако до конца эти процессы еще не поняты. [c.82] Теория, которая дала бы возможность количественно объяснить все известные свойства атомного ядра, пока еще не создана. Возможно, ее так и не удастся создать. Тем не менее все имеющиеся данные согласуются с представлением о том, что ядро каждого атома сконцентрировано в небольшом объеме, имеющем диаметр приблизительно 10 см в этом объеме содержится 99% массы всего атома ядро имеет положительный заряд, равный порядковому номеру элемента в периодической системе. Электрически нейтральные атомы имеют столько же электронов, каков положительный заряд их ядра (в единицах заряда электрона). [c.84] Вернуться к основной статье