≡× MENU

• داخلی
• ویندوز
• دیوارها
• پروژه ها
• ساختمان ها

نحوه تعیین الکترون و پروتون ساختار اتم ها - ذرات بنیادی ماده، الکترون ها، پروتون ها، نوترون ها

• ترجمه

در مرکز هر اتم، هسته، مجموعه کوچکی از ذرات به نام پروتون و نوترون قرار دارد. در این مقاله ماهیت پروتون‌ها و نوترون‌ها را مطالعه می‌کنیم که از ذرات حتی کوچک‌تر - کوارک‌ها، گلوئون‌ها و آنتی‌کوارک‌ها تشکیل شده‌اند. (گلوون‌ها، مانند فوتون‌ها، پادذرات خودشان هستند.) تا آنجایی که ما می دانیم کوارک ها و گلوئون ها می توانند واقعاً ابتدایی باشند (تقسیم ناپذیر و از اندازه کوچکتر تشکیل نمی شوند). اما به آنها بعدا.

با کمال تعجب، پروتون‌ها و نوترون‌ها جرم تقریباً یکسانی دارند - دقیقاً تا چند درصد:

• 0.93827 GeV/c 2 برای پروتون،
• 0.93957 GeV/c 2 برای یک نوترون.

این کلید ماهیت آنها است - آنها در واقع بسیار شبیه هستند. بله، یک تفاوت آشکار بین آنها وجود دارد: یک پروتون دارای بار الکتریکی مثبت است، در حالی که یک نوترون بار ندارد (خنثی است، از این رو نام آن است). به ترتیب، نیروهای الکتریکیاولی را تحت تأثیر قرار می دهد، اما دومی را نه. در نگاه اول این تمایز بسیار مهم به نظر می رسد! اما در واقعیت اینطور نیست. در تمام معانی دیگر، پروتون و نوترون تقریباً دوقلو هستند. نه تنها توده های آنها یکسان است، بلکه ساختار داخلی آنها نیز یکسان است.

پروتون ها و نوترون ها از آنجایی که بسیار شبیه هم هستند و از آنجا که این ذرات هسته ها را تشکیل می دهند اغلب نوکلئون نامیده می شوند.

پروتون ها در حدود سال 1920 شناسایی و توصیف شدند (اگرچه قبلاً کشف شده بودند؛ هسته اتم هیدروژن فقط یک پروتون منفرد است) و نوترون ها در حدود سال 1933 کشف شدند. تقریبا بلافاصله متوجه شد که پروتون ها و نوترون ها بسیار شبیه یکدیگر هستند. اما این واقعیت که آنها اندازه قابل اندازه گیری قابل مقایسه با اندازه یک هسته دارند (حدود 100000 برابر شعاع کوچکتر از یک اتم) تا سال 1954 شناخته شده نبود. از اواسط دهه 1960 تا اواسط دهه 1970 به تدریج درک شد که آنها از کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها تشکیل شده اند. در اواخر دهه 70 و اوایل دهه 80، درک ما از پروتون‌ها، نوترون‌ها و آنچه که آنها از آن ساخته شده‌اند تا حد زیادی فروکش کرده بود و از آن زمان تاکنون بدون تغییر باقی مانده است.

توصیف نوکلئون ها بسیار دشوارتر از اتم ها یا هسته ها است. نمی توان گفت که اتم ها اساساً ساده هستند، اما حداقل می توان بدون فکر کردن گفت که یک اتم هلیوم از دو الکترون تشکیل شده است که در مدار یک هسته کوچک هلیوم قرار دارند. و هسته هلیوم یک گروه نسبتا ساده از دو نوترون و دو پروتون است. اما در مورد نوکلئون ها همه چیز چندان ساده نیست. من قبلاً در مقاله "پروتن چیست و در داخل آن چیست؟"

به نظر می رسد پیچیدگی پروتون و نوترون واقعی است و از دانش ناقص فیزیک ناشی نمی شود. ما معادلاتی داریم که برای توصیف کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها و فعل و انفعالات هسته ای قوی بین آنها استفاده می شود. این معادلات QCD از کرومودینامیک کوانتومی نامیده می شوند. صحت معادلات قابل بررسی است به طرق مختلفاز جمله اندازه گیری تعداد ذرات ظاهر شده در برخورد دهنده بزرگ هادرون. با وصل کردن معادلات QCD به یک کامپیوتر و انجام محاسبات روی خواص پروتون‌ها و نوترون‌ها و سایر ذرات مشابه (که در مجموع «هادرون» نامیده می‌شوند)، پیش‌بینی‌هایی از ویژگی‌های این ذرات به دست می‌آید که مشاهدات انجام شده در دنیای واقعی را تقریباً تقریب می‌کند. بنابراین، دلایلی داریم که باور کنیم معادلات QCD دروغ نمی‌گویند و دانش ما از پروتون و نوترون بر اساس معادلات صحیح است. اما فقط داشتن معادلات مناسب کافی نیست، زیرا:

• U معادلات سادهممکن است بسیار باشد راه حل های پیچیده,
• گاهی اوقات نمی توان تصمیمات پیچیده را به روشی ساده توصیف کرد.

تا آنجا که می توانیم بگوییم، این دقیقاً در مورد نوکلئون ها صادق است: آنها راه حل های پیچیده ای برای معادلات QCD نسبتاً ساده هستند و نمی توان آنها را در چند کلمه یا تصویر توصیف کرد.

به دلیل پیچیدگی ذاتی نوکلئون ها، شما، خواننده، باید انتخاب کنید: چقدر می خواهید در مورد پیچیدگی توصیف شده بدانید؟ مهم نیست چقدر پیش بروید، به احتمال زیاد رضایت شما را به همراه نخواهد داشت: هرچه بیشتر یاد بگیرید، موضوع واضح تر می شود، اما پاسخ نهایی ثابت می ماند - پروتون و نوترون بسیار پیچیده هستند. من می توانم سه سطح از درک را با جزئیات بیشتر به شما ارائه دهم. می توانید بعد از هر سطحی متوقف شوید و به سراغ موضوعات دیگر بروید یا می توانید تا آخرین مرحله شیرجه بزنید. هر سطح سوالاتی را ایجاد می کند که من می توانم تا حدی در مرحله بعدی به آنها پاسخ دهم، اما پاسخ های جدید سوالات جدیدی را ایجاد می کند. در پایان - همانطور که در بحث های حرفه ای با همکاران و دانش آموزان پیشرفته انجام می دهم - فقط می توانم شما را به داده های به دست آمده در آزمایش های واقعی، به استدلال های مختلف نظری تأثیرگذار و شبیه سازی های رایانه ای ارجاع دهم.

سطح اول درک

پروتون ها و نوترون ها از چه چیزی ساخته شده اند؟

برنج. 1: یک نسخه بسیار ساده شده از پروتون ها، که فقط از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین، و نوترون ها، متشکل از تنها دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تشکیل شده است.

برای ساده‌تر کردن مسائل، بسیاری از کتاب‌ها، مقالات و وب‌سایت‌ها نشان می‌دهند که پروتون‌ها از سه کوارک (دو کوارک بالا و یک کوارک پایین) تشکیل شده‌اند و چیزی شبیه به شکل شکل را ترسیم می‌کنند. 1. نوترون یکسان است، فقط از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است. این تصویر ساده آنچه را که برخی از دانشمندان عمدتاً در دهه 1960 باور داشتند را نشان می دهد. اما به زودی مشخص شد که این دیدگاه بیش از حد ساده شده است تا جایی که دیگر صحیح نیست.

از منابع پیچیده‌تر اطلاعات، خواهید آموخت که پروتون‌ها از سه کوارک (دو تا بالا و یکی پایین) ساخته شده‌اند که توسط گلوئون‌ها در کنار هم نگه داشته می‌شوند - و ممکن است تصویری مشابه شکل 1 ظاهر شود. 2، جایی که گلوئون ها به صورت فنر یا ریسمان نگهدارنده کوارک ها کشیده می شوند. نوترون ها یکسان هستند، فقط با یک کوارک بالا و دو کوارک پایین.

برنج. 2: بهبود شکل. 1 با توجه به تاکید بر نقش مهمنیروی هسته ای قوی که کوارک ها را در یک پروتون نگه می دارد

این روش چندان بدی برای توصیف نوکلئون ها نیست، زیرا بر نقش مهم نیروی هسته ای قوی تأکید می کند که کوارک ها را در یک پروتون به قیمت گلوئون ها نگه می دارد (همانطور که فوتون، ذره ای که نور را می سازد، مرتبط است. نیروی الکترومغناطیسی). اما این نیز گیج کننده است زیرا واقعاً توضیح نمی دهد که گلوئون ها چیست یا چه کاری انجام می دهند.

دلایلی برای ادامه دادن و توصیف چیزها به روشی وجود دارد که من انجام دادم: یک پروتون از سه کوارک (دو تا بالا و یکی پایین)، یک دسته گلوئون، و یک کوه از جفت کوارک-آنتی کوارک (عمدتا کوارک های بالا و پایین، اما چند مورد عجیب و غریب نیز وجود دارد). همه آنها با سرعت بسیار بالا به جلو و عقب پرواز می کنند (به سرعت نور نزدیک می شوند). کل این مجموعه توسط نیروی هسته ای قوی نگه داشته شده است. من این را در شکل نشان دادم. 3. نوترون ها دوباره یکسان هستند، اما با یک کوارک بالا و دو پایین. کوارکی که هویت خود را تغییر داده است با یک فلش نشان داده می شود.

برنج. 3: نمایش واقعی تر، اگرچه هنوز ناقص، از پروتون ها و نوترون ها

این کوارک ها، ضد کوارک ها و گلوئون ها نه تنها به صورت وحشیانه به جلو و عقب می روند، بلکه با فرآیندهایی مانند نابودی ذرات (که در آن یک کوارک و یک آنتی کوارک از همان نوع تبدیل به دو گلوئون می شوند، با یکدیگر برخورد کرده و به یکدیگر تبدیل می شوند. یا بالعکس) یا جذب و گسیل یک گلوئون (که در آن کوارک و گلوئون می توانند با هم برخورد کنند و یک کوارک و دو گلوئون تولید کنند یا برعکس).

این سه توصیف چه مشترکاتی دارند:

• دو کوارک بالا و یک کوارک پایین (به علاوه چیز دیگری) برای یک پروتون.
• نوترون یک کوارک بالا و دو کوارک پایین دارد (به علاوه چیز دیگری).
• "چیز دیگر" نوترون ها با "چیز دیگر" پروتون ها منطبق است. یعنی نوکلئون ها همان «چیز دیگری» را دارند.
• تفاوت کوچک جرم بین پروتون و نوترون به دلیل تفاوت در جرم کوارک پایین و کوارک بالا ظاهر می شود.

و چون:

• برای کوارک های بالایی بار الکتریکی برابر با 2/3 e است (که e بار یک پروتون است، -e بار یک الکترون است).
• کوارک های پایین دارای بار 1/3e هستند،
• گلوئون ها دارای بار 0 هستند،
• هر کوارک و آنتی کوارک مربوط به آن دارای بار کلی 0 هستند (مثلاً یک کوارک پاددان دارای بار 1/3e + است، بنابراین یک کوارک پایین و یک کوارک پایین دارای بار 1/3- e +1/3 خواهند بود. e = 0)

هر شکل بار الکتریکی یک پروتون را به دو کوارک بالا و یک کوارک پایین نسبت می دهد، و "چیز دیگر" 0 به بار اضافه می کند، به همین ترتیب، یک نوترون به دلیل یک کوارک بالا و دو پایین بار صفر دارد.

• بار الکتریکی کل پروتون 2/3 e + 2/3 e - 1/3 e = e است،
• بار الکتریکی کل نوترون 2/3 e - 1/3 e - 1/3 e = 0 است.

این توضیحات به روش های زیر متفاوت است:

• چقدر "چیز دیگری" در داخل نوکلئون وجود دارد،
• اونجا چیکار میکنه
• جرم و انرژی جرمی (E = mc 2، انرژی موجود در آنجا حتی زمانی که ذره در حال استراحت است) نوکلئون از کجا می آید.

از آنجایی که بیشتر جرم یک اتم، و در نتیجه تمام مواد معمولی، در پروتون ها و نوترون ها وجود دارد، نکته اخیر برای درک صحیح ماهیت ما بسیار مهم است.

برنج. 1 می گوید که کوارک ها اساساً یک سوم یک نوکلئون هستند، دقیقاً مانند پروتون یا نوترون که یک چهارم هسته هلیوم یا 1/12 هسته کربن است. اگر این تصویر درست بود، کوارک‌های موجود در نوکلئون نسبتاً آهسته حرکت می‌کردند (با سرعت‌های بسیار آهسته‌تر از نور) و برهم‌کنش‌های نسبتاً ضعیفی بین آن‌ها اعمال می‌شد (البته با نیروی قدرتمندی که آنها را در جای خود نگه می‌داشت). جرم کوارک، بالا و پایین، در آن صورت حدود 0.3 GeV/c 2، حدود یک سوم جرم پروتون خواهد بود. اما این تصویر ساده و ایده هایی که تحمیل می کند به سادگی اشتباه است.

برنج. 3. ایده کاملاً متفاوتی از پروتون به دست می دهد، به عنوان دیگ ذرات که با سرعتی نزدیک به نور در آن می چرخند. این ذرات با یکدیگر برخورد می کنند و در این برخوردها برخی از آنها از بین می روند و برخی دیگر به جای خود ایجاد می شوند. گلوئون‌ها جرم ندارند، جرم کوارک‌های بالایی در حد 0.004 GeV/c2 است، و جرم کوارک‌های پایینی حدود 0.008 GeV/c 2 است - صدها برابر کمتر از یک پروتون. اینکه انرژی جرم پروتون از کجا می آید یک سوال پیچیده است: بخشی از آن از انرژی جرم کوارک ها و آنتی کوارک ها، بخشی از انرژی حرکت کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها و بخشی (احتمالا مثبت، شاید منفی) می آید. ) از انرژی ذخیره شده در برهمکنش هسته ای قوی، نگه داشتن کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها در کنار هم.

به یک معنا، شکل. 2 تلاش می کند تا تفاوت بین شکل 2 را حل کند. 1 و شکل 3. شکل را ساده می کند. 3، حذف بسیاری از جفت‌های کوارک-آنتی کوارک، که اصولاً می‌توان آنها را زودگذر نامید، زیرا دائماً ظاهر می‌شوند و ناپدید می‌شوند و ضروری نیستند. اما این تصور را ایجاد می کند که گلوئون های موجود در نوکلئون ها بخشی مستقیم از نیروی هسته ای قوی هستند که پروتون ها را کنار هم نگه می دارد. و توضیح نمی دهد که جرم پروتون از کجا می آید.

در شکل 1 علاوه بر چارچوب های باریک پروتون و نوترون، یک اشکال دیگر نیز وجود دارد. برخی از خواص هادرون های دیگر، به عنوان مثال، پیون و رو مزون را توضیح نمی دهد. شکل هم همین مشکلات را دارد. 2.

این محدودیت ها به این واقعیت منجر شد که من به دانش آموزانم و در وب سایت خود تصویری از شکل 3. اما من می خواهم به شما هشدار دهم که محدودیت های زیادی نیز دارد که بعداً به آن خواهم پرداخت.

شایان ذکر است که پیچیدگی فوق العاده سازه که در شکل 1 نشان داده شده است. 3، از یک شی که توسط چنین چیزی در کنار هم نگه داشته می شود، می توان انتظار داشت نیروی قدرتمندمانند نیروی هسته ای قوی. و یک چیز دیگر: سه کوارک (دو تا بالا و یکی پایین برای یک پروتون) که بخشی از گروه جفت کوارک-آنتی کوارک نیستند، اغلب "کوارک های ظرفیت" نامیده می شوند و جفت کوارک-آنتی کوارک اغلب "دریایی از . جفت کوارک." چنین زبانی در بسیاری از موارد از نظر فنی راحت است. اما این تصور نادرست به وجود می‌آید که اگر بتوانید درون یک پروتون را نگاه کنید و به یک کوارک خاص نگاه کنید، بلافاصله می‌توانید تشخیص دهید که آیا آن بخشی از دریا است یا یک ظرفیتی. این نمی تواند انجام شود، به سادگی چنین راهی وجود ندارد.

جرم پروتون و جرم نوترون

از آنجایی که جرم پروتون و نوترون بسیار شبیه به هم هستند و از آنجایی که پروتون و نوترون فقط در جایگزینی کوارک بالا با کوارک پایین با هم تفاوت دارند، به نظر می‌رسد که جرم آنها به یک شکل تهیه شده و از یک منبع می‌آیند. و تفاوت آنها در تفاوت جزئی بین کوارک های بالا و پایین نهفته است. اما سه شکل بالا نشان دهنده وجود سه دیدگاه بسیار متفاوت در مورد منشا جرم پروتون است.

برنج. 1 می گوید که کوارک های بالا و پایین به سادگی 1/3 جرم پروتون و نوترون را تشکیل می دهند: در مرتبه 0.313 GeV/c 2 یا به دلیل انرژی مورد نیاز برای نگه داشتن کوارک ها در پروتون. و از آنجایی که اختلاف بین جرم پروتون و نوترون کسری از درصد است، اختلاف بین جرم یک کوارک بالا و پایین نیز باید کسری از درصد باشد.

برنج. 2 کمتر واضح است. چه مقدار از جرم پروتون ناشی از گلوئون است؟ اما، در اصل، از شکل بر می آید که بیشتر جرم پروتون همچنان از جرم کوارک ها می آید، همانطور که در شکل. 1.

برنج. 3 رویکرد دقیق تری را به نحوه ظاهر شدن جرم پروتون نشان می دهد (همانطور که می توانیم مستقیماً از طریق محاسبات رایانه ای پروتون و به طور غیرمستقیم با استفاده از سایر روش های ریاضی آزمایش کنیم). این با ایده های ارائه شده در شکل بسیار متفاوت است. 1 و 2، و معلوم می شود که چندان ساده نیست.

برای درک اینکه چگونه این کار می کند، باید نه بر حسب جرم پروتون m، بلکه بر حسب انرژی جرمی آن E = mc 2، انرژی مرتبط با جرم، فکر کنید. از نظر مفهومی، سوال صحیح این نیست که "جرم پروتون m از کجا می آید"، پس از آن می توانید E را با ضرب m در c 2 محاسبه کنید، بلکه برعکس: "انرژی جرم پروتون E از کجا می آید،" پس از آن که می توانید جرم m را با تقسیم E بر c 2 محاسبه کنید.

مفید است که سهم انرژی جرم پروتون را به سه گروه طبقه بندی کنیم:

الف) انرژی جرمی (انرژی استراحت) کوارک ها و آنتی کوارک های موجود در آن (گلئون ها، ذرات بدون جرم، هیچ کمکی ندارند).
ب) انرژی حرکت (انرژی جنبشی) کوارک ها، آنتی کوارک ها و گلوئون ها.
ب) انرژی برهمکنش (انرژی اتصال یا انرژی پتانسیل) ذخیره شده در برهمکنش هسته ای قوی (به طور دقیق تر، در میدان های گلوئون) که پروتون را نگه می دارد.

برنج. 3 می گوید که ذرات داخل پروتون با سرعت زیاد حرکت می کنند و پر از گلوئون های بدون جرم است، بنابراین سهم B) بیشتر از A است). به طور معمول، در بیشتر سیستم های فیزیکی B) و C) قابل مقایسه هستند، در حالی که C) اغلب منفی است. بنابراین انرژی جرمی پروتون (و نوترون) عمدتاً از ترکیب B) و C حاصل می شود، با A) کسر کوچکی را به همراه دارد. بنابراین، جرم پروتون و نوترون عمدتاً به دلیل جرم ذرات موجود در آنها نیست، بلکه به دلیل انرژی حرکت این ذرات و انرژی برهمکنش آنها مرتبط با میدان‌های گلوئونی است که نیروهایی را ایجاد می‌کنند. پروتون در اکثر سیستم های آشنا برای ما، تعادل انرژی به طور متفاوتی توزیع می شود. به عنوان مثال، در اتم ها و در منظومه شمسیالف) غالب است و ب) و ج) از نظر قدر بسیار کوچکتر و قابل مقایسه هستند.

به طور خلاصه به این نکته اشاره می کنیم که:

• برنج. 1 فرض می کند که انرژی جرمی پروتون از سهم A می آید).
• برنج. 2 فرض می کند که هر دو سهم A) و B) مهم هستند و B) سهم کوچکی دارد.
• برنج. 3 نشان می دهد که B) و C) مهم هستند و سهم A) ناچیز است.

می دانیم که شکل درست است. 3. ما می‌توانیم شبیه‌سازی‌های کامپیوتری را برای آزمایش آن اجرا کنیم، و مهمتر از آن، به لطف استدلال‌های نظری متقاعدکننده مختلف، می‌دانیم که اگر جرم کوارک‌های بالا و پایین صفر بودند (و بقیه چیزها همانطور که هست باقی می‌ماندند)، جرم پروتون خواهد بود. عملاً قابل اغماض بود. بنابراین، ظاهراً توده‌های کوارک نمی‌توانند سهم مهمی در جرم پروتون داشته باشند.

اگر انجیر 3 دروغ نمی گوید، جرم کوارک و آنتی کوارک بسیار کوچک است. واقعا چه شکلی هستند؟ جرم کوارک بالایی (و همچنین آنتی کوارک) از 0.005 GeV/c 2 تجاوز نمی کند که بسیار کمتر از 0.313 GeV/c 2 است که از شکل زیر آمده است. 1. (اندازه گیری جرم کوارک بالا دشوار است و به دلیل تأثیرات ظریف متفاوت است، بنابراین ممکن است بسیار کمتر از 0.005 GeV/c2 باشد). جرم کوارک پایین تقریباً 0.004 GeV/s 2 بیشتر از جرم کوارک بالایی است. این بدان معناست که جرم هر کوارک یا آنتی کوارکی از یک درصد جرم یک پروتون تجاوز نمی کند.

توجه داشته باشید که این بدان معناست که (برخلاف شکل 1) نسبت کوارک پایین به جرم کوارک بالا به وحدت نزدیک نمی شود! جرم کوارک پایین حداقل دو برابر جرم کوارک بالا است. دلیل اینکه جرم های نوترون و پروتون بسیار شبیه هم هستند به این دلیل نیست که جرم کوارک های بالا و پایین شبیه هم هستند، بلکه به این دلیل است که جرم کوارک های بالا و پایین بسیار کوچک است - و تفاوت بین آنها کوچک و نسبی است. به توده های پروتون و نوترون. به یاد داشته باشید که برای تبدیل یک پروتون به نوترون، کافی است یکی از کوارک های بالا آن را با یک کوارک پایین جایگزین کنید (شکل 3). این جایگزینی کافی است تا نوترون کمی از پروتون سنگین‌تر شود و بار آن از +e به 0 تغییر کند.

ضمناً، این واقعیت که ذرات مختلف داخل پروتون با یکدیگر برخورد می کنند و دائماً ظاهر و ناپدید می شوند، تأثیری بر موارد مورد بحث ما ندارد - در هر برخوردی انرژی حفظ می شود. انرژی جرمی و انرژی حرکت کوارک ها و گلوئون ها می تواند تغییر کند، همانطور که انرژی برهم کنش آنها نیز تغییر می کند، اما انرژی کل پروتون تغییر نمی کند، اگرچه همه چیز درون آن دائما در حال تغییر است. بنابراین جرم پروتون با وجود گرداب داخلی ثابت می ماند.

در این مرحله می توانید اطلاعات دریافتی را متوقف کرده و جذب کنید. شگفت انگیز! تقریباً تمام جرم موجود در ماده معمولی از جرم نوکلئون های موجود در اتم ها حاصل می شود. و بیشتر این جرم از هرج و مرج ذاتی پروتون و نوترون ناشی می شود - از انرژی حرکت کوارک ها، گلوئون ها و آنتی کوارک ها در نوکلئون ها، و از انرژی فعل و انفعالات هسته ای قوی که نوکلئون را در کل حالتش نگه می دارد. بله: سیاره ما، بدن ما، نفس ما نتیجه چنین هیاهوی آرام و تا همین اواخر غیرقابل تصور است.

"اتم" چیست؟

تا اوایل قرن بیستم در علم این عقیده وجود داشت که اتم یک ذره تقسیم ناپذیر است. با این حال، معلوم شد که اینطور نیست. در واقع یک اتم حاوی ذرات به اصطلاح زیر اتمی است. مورد توجه خاص شیمیدانان عبارتند از: پروتون, نوترونو الکترون:

در هسته واحد جرم اتمی(a.u.m.) در مقیاس کربن 12 قرار دارد. یک اتم کربن از 6 پروتون و 6 نوترون تشکیل شده و دارای جرم اتمی = 12 آمو است. بنابراین، 1 amu. = 1/12 اتم کربن.

جرم پروتون ها و نوترون ها تقریباً برابر است. جرم یک الکترون 2000 برابر کمتر است.

علیرغم این واقعیت که یک اتم دارای ذرات دارای بار مثبت و منفی است، بار آن خنثی است. این با این واقعیت توضیح داده می شود که یک اتم دارای همان تعداد پروتون و الکترون است. ذرات باردار متفاوت یکدیگر را خنثی می کنند.

ارنست رادرفورد در سال 1911 مدل زیر را از اتم پیشنهاد کرد: در مرکز یک هسته با بار مثبت متشکل از پروتون و نوترون وجود دارد. الکترون ها به دور هسته می چرخند. بخش عمده ای از جرم یک اتم در هسته متمرکز است که اندازه کوچک و بسیار متراکم است (قطر اتم 10-10 متر است؛ قطر هسته اتم = 10-15 متر). به زبان تمثیل: اگر اتمی را به شکل استادیوم المپیک پکن تصور کنید، هسته اتم است. توپ فوتبال، که برای بازی فوتبال در این ورزشگاه استفاده می شود.

یک خواننده با دقت می پرسد: "اگر در هسته یک اتم پروتون هایی با بار مثبت وجود دارد و بارهایی به همین نام، همانطور که مشخص است، دفع می شوند، پس چرا هسته اتم از بین نمی رود؟"دانشمندان به این نتیجه رسیده اند که در هسته یک اتم نیروهای "پروتون چسبنده" خاصی وجود دارد که هسته را دست نخورده نگه می دارد.

چون هسته یک اتم بخش عمده ای از جرم اتم را تشکیل می دهد، سپس جرم اتم را می توان در نظر گرفت. برابر با مقدارتوده های نوترون و پروتون

با توجه به موارد فوق، با نگاهی به نماد ساختاری اکسیژن، به جرات می توان گفت که اتم آن دارای 8 الکترون است.

• O- نماد شیمیایی عنصر (اکسیژن)؛
• 16 - عدد جرمی؛
• 8 - شماره سریال (اتمی).

اتم های یک عنصر که بار هسته ای یکسان دارند اما اعداد جرمی متفاوتی دارند نامیده می شوند ایزوتوپ ها.

ایزوتوپ های هیدروژن:

• 1 1 H - پروتیوم؛
• 1 2 H - دوتریوم؛
• 1 3 H - تریتیوم؛

§1. با الکترون، پروتون، نوترون ملاقات کنید

اتم ها - ذرات ریزمواد
اگر به اندازه بزرگ شود کره زمیناندازه متوسط ​​سیب، سپس اتم ها فقط به اندازه یک سیب می شوند. با وجود چنین ابعاد کوچکی، اتم از ذرات فیزیکی حتی کوچکتر تشکیل شده است.
شما باید از قبل از درس فیزیک مدرسه خود با ساختار اتم آشنا باشید. و با این حال، به یاد بیاوریم که اتم حاوی یک هسته و الکترون است که به سرعت در اطراف هسته می چرخند که غیر قابل تشخیص می شوند - آنها یک "ابر الکترونی" یا پوسته الکترونی اتم را تشکیل می دهند.

الکترون هامعمولاً به صورت زیر نشان داده می شود: ه − . الکترون ها ه- بسیار سبک، تقریبا بی وزن، اما آنها دارند منفیبار الکتریکی برابر با -1 است. جریان الکتریکی، که همه ما از آن استفاده می کنیم، جریانی از الکترون ها است که در سیم ها جریان دارند.

هسته اتمی، که تقریباً تمام جرم آن در آن متمرکز است ، از ذرات دو نوع - نوترون و پروتون تشکیل شده است.

نوترون هابه صورت زیر مشخص می شود: n 0 ، A پروتون هابنابراین: ص + .
از نظر جرم، نوترون ها و پروتون ها تقریباً یکسان هستند - 1.675 10-24 گرم و 1.673 10-24 g.
درست است، شمارش جرم چنین ذرات کوچک در گرم بسیار ناخوشایند است، بنابراین در بیان می شود واحدهای کربنکه هر کدام برابر با 1.673 10 −24 گرم است.
برای هر ذره ای که بدست می آوریم جرم اتمی نسبیبرابر با ضریب جرم یک اتم (به گرم) تقسیم بر جرم یک واحد کربن. جرم اتمی نسبی یک پروتون و یک نوترون برابر با 1 است، اما بار پروتون ها مثبت و برابر با 1+ است، در حالی که نوترون ها بار ندارند.

. معماهایی در مورد اتم

یک اتم را می توان «در ذهن» از ذرات مونتاژ کرد، مانند یک اسباب بازی یا یک ماشین از قطعات مجموعه ساخت و ساز کودکان. تنها رعایت دو شرط مهم ضروری است.

• شرط اول: هر نوع اتم مختص به خود را دارد مجموعه خود"جزئیات" - ذرات بنیادی. به عنوان مثال، یک اتم هیدروژن قطعا دارای یک هسته با بار مثبت +1 خواهد بود، به این معنی که قطعا باید یک پروتون (و نه بیشتر) داشته باشد.
  یک اتم هیدروژن همچنین می تواند حاوی نوترون باشد. بیشتر در این مورد در پاراگراف بعدی.
  اتم اکسیژن ( شماره سریالدر جدول تناوبی برابر با 8) یک هسته باردار خواهد داشت هشتبارهای مثبت (8+)، یعنی هشت پروتون وجود دارد. از آنجایی که جرم یک اتم اکسیژن 16 واحد نسبی است، برای بدست آوردن یک هسته اکسیژن، 8 نوترون دیگر اضافه می کنیم.
• شرط دوماین است که هر اتم باید باشد خنثی الکتریکی. برای این کار باید الکترون کافی برای متعادل کردن بار هسته داشته باشد. به عبارت دیگر، تعداد الکترون های یک اتم برابر با تعداد پروتون ها استدر هسته آن، و همچنین شماره سریال این عنصر در جدول تناوبی.

همانطور که قبلاً اشاره شد، یک اتم از سه نوع ذره بنیادی تشکیل شده است: پروتون، نوترون و الکترون. هسته اتم بخش مرکزی اتم است که از پروتون و نوترون تشکیل شده است. پروتون ها و نوترون ها دارند نام مشترکنوکلئون، در هسته آنها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. هسته ساده ترین اتم - اتم هیدروژن - از یک ذره بنیادی - پروتون تشکیل شده است.

قطر هسته یک اتم تقریباً 10-13 - 10-12 سانتی متر است و 0001/0 قطر اتم است. با این حال، تقریباً کل جرم اتم (99.95-99.98٪) در هسته متمرکز است. اگر امکان بدست آوردن 1 سانتی متر مکعب ماده هسته ای خالص وجود داشت، جرم آن 100 تا 200 میلیون تن بود. جرم هسته یک اتم چندین هزار بار بیشتر از جرم تمام الکترون های تشکیل دهنده اتم است.

پروتون- یک ذره بنیادی، هسته اتم هیدروژن. جرم یک پروتون 1.6721 x 10-27 کیلوگرم است که 1836 برابر جرم یک الکترون است. بار الکتریکی مثبت و برابر با 1.66×10-19 C است. کولن واحدی از بار الکتریکی است که برابر با مقدار الکتریسیته ای است که از مقطع رسانا در زمان ۱ ثانیه با جریان ثابت ۱ آمپر (آمپر) عبور می کند.

هر اتم هر عنصر حاوی تعداد معینی پروتون در هسته است. این عدد برای یک عنصر معین ثابت است و فیزیکی و آن را تعیین می کند خواص شیمیایی. یعنی تعداد پروتون ها مشخص می کند که با چه عنصر شیمیایی سروکار داریم. به عنوان مثال، اگر یک پروتون در هسته وجود داشته باشد، آن هیدروژن است، اگر 26 پروتون وجود داشته باشد، آهن است. تعداد پروتون های هسته اتم بار هسته (شماره بار Z) و عدد اتمی عنصر را در جدول تناوبی عناصر D.I تعیین می کند. مندلیف (عدد اتمی عنصر).

نوترون- یک ذره خنثی الکتریکی با جرم 1.6749 x 10-27 کیلوگرم، 1839 برابر جرم یک الکترون. یک نورون در حالت آزاد یک ذره ناپایدار است که به طور مستقل با گسیل یک الکترون و یک پادنوترینو به پروتون تبدیل می شود. نیمه عمر نوترون ها (زمانی که در طی آن نیمی از تعداد اولیه نوترون ها تجزیه می شود) تقریباً 12 دقیقه است. با این حال، در یک حالت محدود در داخل هسته های اتمی پایدار، پایدار است. تعداد کلنوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) در هسته را عدد جرمی ( جرم اتمی- الف). تعداد نوترون های موجود در هسته برابر است با تفاوت بین اعداد جرم و بار: N = A - Z.

الکترون- یک ذره بنیادی، حامل کوچکترین جرم - 0.91095x10-27 گرم و کوچکترین بار الکتریکی - 1.6021x10-19 C. این یک ذره با بار منفی است. تعداد الکترون های یک اتم برابر با تعداد پروتون های هسته است، یعنی. اتم از نظر الکتریکی خنثی است.

پوزیترون- یک ذره بنیادی با بار الکتریکی مثبت، یک ضد ذره نسبت به الکترون. جرم الکترون و پوزیترون برابر است و بارهای الکتریکی برابر است ارزش مطلق، اما در علامت مخالف.

انواع مختلف هسته ها را نوکلید می نامند. نوکلید نوعی اتم با تعداد معین پروتون و نوترون است. در طبیعت، اتم های یک عنصر با جرم اتمی متفاوت (اعداد جرمی) وجود دارد:
، کلر و غیره هسته این اتم ها شامل همان شمارهپروتون ها، اما تعداد متفاوتی از نوترون ها. انواع اتم های یک عنصر که دارای بار هسته ای یکسان اما اعداد جرمی متفاوت هستند نامیده می شوند ایزوتوپ ها . ایزوتوپ‌ها با داشتن تعداد پروتون یکسان، اما از نظر تعداد نوترون‌های متفاوت، ساختار لایه‌های الکترونی یکسانی دارند، یعنی. خواص شیمیایی بسیار مشابهی دارد و در جدول تناوبی عناصر شیمیایی جایگاه یکسانی را اشغال می کند.

با نماد مربوطه نشان داده شده است عنصر شیمیاییبا شاخص A در بالا سمت چپ - عدد جرمی، گاهی اوقات تعداد پروتون ها (Z) نیز در پایین سمت چپ آورده می شود. به عنوان مثال، ایزوتوپ های رادیواکتیو فسفر به ترتیب 32P، 33P یا P و P نامگذاری می شوند. هنگام تعیین ایزوتوپ بدون نشان دادن نماد عنصر، عدد جرمی پس از تعیین عنصر داده می شود، به عنوان مثال، فسفر - 32، فسفر - 33.

بیشتر عناصر شیمیایی چندین ایزوتوپ دارند. علاوه بر ایزوتوپ هیدروژن 1H-protium، هیدروژن سنگین 2H-دوتریوم و هیدروژن فوق سنگین 3H-تریتیوم شناخته شده است. اورانیوم دارای 11 ایزوتوپ در ترکیبات طبیعی است (اورانیوم 238، اورانیوم 235، اورانیوم 233). آنها به ترتیب 92 پروتون و 146،143 و 141 نوترون دارند.

در حال حاضر، بیش از 1900 ایزوتوپ از 108 عنصر شیمیایی شناخته شده است. از این میان، ایزوتوپ‌های طبیعی شامل همه ایزوتوپ‌های پایدار (حدود 280 تای آن‌ها) و ایزوتوپ‌های طبیعی هستند که بخشی از خانواده‌های رادیواکتیو هستند (46 مورد). بقیه مصنوعی هستند، به دست می آیند به صورت مصنوعیدر نتیجه واکنش های هسته ای مختلف.

اصطلاح "ایزوتوپ" فقط باید زمانی استفاده شود که ما در مورد اتم های یک عنصر صحبت می کنیم، به عنوان مثال، کربن 12C و 14C. اگر منظور اتم های عناصر شیمیایی مختلف است، توصیه می شود از اصطلاح "نوکلیدها" استفاده کنید، به عنوان مثال، رادیونوکلئید 90Sr، 131J، 137Cs.

بیایید در مورد چگونگی پیدا کردن پروتون، نوترون و الکترون صحبت کنیم. سه نوع ذره بنیادی در یک اتم وجود دارد که هر کدام بار و جرم اولیه خود را دارند.

ساختار هسته

برای درک چگونگی یافتن پروتون، نوترون و الکترون، تصور کنید که این بخش اصلی اتم است. در داخل هسته پروتون و نوترون وجود دارد که نوکلئون نامیده می شود. در داخل هسته، این ذرات می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.

به عنوان مثال، برای یافتن پروتون، نوترون و الکترون در یک سلول، باید شماره سریال آن را بدانید. اگر در نظر بگیریم که این عنصر است که در جدول تناوبی قرار دارد، هسته آن حاوی یک پروتون است.

قطر هسته اتم ده هزارم اندازه کل اتم است. این شامل بخش عمده ای از کل اتم است. جرم هسته هزاران بار بیشتر از مجموع تمام الکترون های موجود در اتم است.

ویژگی های ذرات

بیایید نحوه یافتن پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها در اتم را بررسی کنیم و با ویژگی های آنها آشنا شویم. پروتون چیزی است که با هسته اتم هیدروژن مطابقت دارد. جرم آن 1836 برابر از الکترون بیشتر است. برای تعیین واحد برق عبوری از یک هادی با یک داده مقطع، از بار الکتریکی استفاده کنید.

هر اتم دارای تعداد معینی پروتون در هسته خود است. این یک مقدار ثابت است و مشخصه های شیمیایی و خواص فیزیکیاز این عنصر

چگونه می توان پروتون، نوترون و الکترون را در اتم کربن پیدا کرد؟ عدد اتمی این عنصر شیمیایی 6 است، بنابراین هسته دارای شش پروتون است. طبق سیستم سیاره ای، شش الکترون در مدارهای دور هسته حرکت می کنند. برای تعیین تعداد نوترون ها از مقدار کربن (12)، تعداد پروتون ها را کم کنید (6)، شش نوترون بدست می آوریم.

برای یک اتم آهن، تعداد پروتون ها برابر با 26 است، یعنی این عنصر بیست و ششمین عدد اتمی جدول تناوبی را دارد.

نوترون یک ذره خنثی الکتریکی است که در حالت آزاد ناپایدار است. یک نوترون می تواند به طور خود به خود به یک پروتون با بار مثبت تبدیل شود و یک پاد نوترینو و یک الکترون ساطع کند. دوره میانینیمه عمر آن 12 دقیقه است. عدد جرمی تعداد کل پروتون ها و نوترون های درون هسته یک اتم است. بیایید سعی کنیم دریابیم که چگونه می توان پروتون، نوترون و الکترون را در یک یون پیدا کرد؟ اگر یک اتم در طی یک برهمکنش شیمیایی با عنصر دیگر حالت اکسیداسیون مثبت به دست آورد، تعداد پروتون ها و نوترون های موجود در آن تغییر نمی کند، فقط الکترون ها کمتر می شوند.

نتیجه گیری

چندین نظریه در مورد ساختار اتم وجود داشت، اما هیچ یک از آنها قابل اجرا نبودند. قبل از نسخه ایجاد شده توسط رادرفورد، توضیح دقیقی در مورد محل پروتون ها و نوترون ها در داخل هسته و همچنین چرخش در مدارهای دایره ای الکترون ها وجود نداشت. پس از ظهور نظریه ساختار سیاره ای اتم، محققان این فرصت را داشتند که نه تنها تعداد ذرات بنیادی یک اتم را تعیین کنند، بلکه خواص فیزیکی و شیمیایی یک عنصر شیمیایی خاص را نیز پیش بینی کنند.