Что такое нуклоны в химии
Массовое число – суммарное число протонов и нейтронов в атомном ядре. Как известно атомное ядро состоит из протонов и нейтронов – элементарных частиц, имеющих очень близкие массы и объединяемых термином “нуклоны”. Если число протонов в ядре обозначить буквой Z, а число нейтронов — буквой N, то массовое число (или число нуклонов) А = Z + N. Термин “массовое число” связан с тем, что именно количество нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре практически полностью (с точностью обычно не хуже 1%) определяет массу атомного ядра и атома. Знание массового числа позволяет оценить массу ядра и атома. Если известно массовое число, то масса М атома и его ядра оценивается из следующего соотношения где mN — масса нуклона, т.е. протона или нейтрона. Например, в состав атома алюминия и его ядра входит 27 нуклонов (13 протонов и 14 нейтронов). Его масса Если необходимо получить массу ядра с большей точностью, то нужно учесть, что нуклоны в ядре связаны силами ядерного притяжения, и поэтому в соответствии с соотношением E = mc 2 масса ядра уменьшается. В массу атома также следует добавить суммарную массу электронов на орбитах вокруг ядра. Однако все эти поправки не превышают 1%.
- Основные характеристики ядер
- Калькулятор свойств ядер и характеристик ядерных процессов
- Массы атомных ядер
Что такое нуклоны в химии
Нуклон (от лат. nucleus — ядро) – единое название протона и нейтрона – частиц, из которых состоит атомное ядро. Протон и нейтрон во многом сходные частицы. Они относятся к одному типу элементарных частиц — барионам, имеют одинаковый спин 1/2 и одинаково участвуют в сильном (ядерном) взаимодействии. Их массы очень близки и различаются всего на 0.14%. В современной физике протон и нейтрон рассматривают как два состояния (две модификации) одной частицы – нуклона. Эти два состояния различаются величиной электрического заряда. Протон — это положительно заряженный нуклон, а нейтрон — нуклон, имеющий нулевой электрический заряд.
Характеристики протона, нейтрона, электрона
- Структура нуклона
- Длина свободного пробега нуклонов в ядре
- Структура нуклона
- Мезонная теория ядерных сил
- Ядерные модели
- Ядерные силы
- Ро-мезон как калибровочное поле
НУКЛОН
НУКЛОН, общее название протона и нейтрона – частиц, из которых состоят ядра атомов. На нуклоны приходится основная часть массы атома. Несмотря на различие в некоторых свойствах и поведении, нейтроны и протоны, по мнению физиков, достаточно сходны, чтобы считать их членами одного семейства, подобно тому как биологи относят к единому виду собак и волков. Так, их массы различаются не более чем на 1%, а спины одинаковы. Кроме того, почти одинаковы силы, действующие между двумя нейтронами или двумя протонами на малых расстояниях (10 –15 м и меньше). Наиболее существенное различие между протоном и нейтроном – наличие у протона электрического заряда, которого нейтрон, как это видно из его названия, не имеет.
Также по теме:
ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ
Ядро простейшего атома – атома водорода – представляет собой протон. Ядра остальных атомов состоят из протонов и нейтронов. То, что ядро водорода является фундаментальной частицей вещества, установил Э.Резерфорд, который показал, что масса положительного заряда атома сконцентрирована в очень малой области пространства, и назвал его протоном. Масса протона составляет 1,67 Ч 10 –24 г, т.е. примерно в 1836 раз превышает массу электрона. Электрический заряд протона (1,6 Ч 10 –19 Кл) равен по величине, но противоположен по знаку заряду электрона. Подобно электрону, протон обладает отличным от нуля спином, который можно представить себе как характеристику вращения частицы вокруг своей оси, подобного суточному вращению Земли. Спин протона равен h /2 p , где h – фундаментальная физическая константа, называемая постоянной Планка. Если протон находится в магнитном поле, то его спин прецессирует подобно волчку, прецессирующему под действием силы тяжести. Скорость этой прецессии определяется магнитным моментом, который у протона равен 1,4 Ч 10 –26 Дж/Тл и направление которого совпадает с направлением спина (т.е. оси вращения).
Хотя Резерфорд еще в 1920 допускал существование в ядрах нейтронов, первые убедительные доказательства существования этих частиц принесла работа его ассистента Дж.Чедвика в 1932. Чедвик облучал бериллий альфа-частицами радиоактивного источника. Тогда уже было известно, что облученный бериллий становится источником нового излучения. Это излучение при столкновении с другими ядрами выбивает из них протоны. Чедвик предположил, что излучение бериллия представляет собой поток частиц с массой, примерно такой же, как у протона, но без электрического заряда. Он назвал такие частицы нейтронами.
Также по теме:
Масса нейтрона несколько превышает массу протона и в 1839 раз массу электрона. Как и у протона, спин нейтрона равен h/2 p . У нейтрона есть и магнитный момент, равный 9 Ч 10 –27 Дж/Тл, т.е. примерно 2/3 магнитного момента протона. Но, в отличие от протона (см. выше), магнитный момент нейтрона ориентирован противоположно его спину (оси вращения). Существование магнитного момента у нейтрона – частицы, не имеющей электрического заряда, – указывает на то, что эта частица вряд ли элементарна и, скорее, построена из других частиц, в том числе и из имеющих электрический заряд.
В современной физике представление о структуре нуклонов опирается на кварковую модель. Согласно последней, нуклоны состоят из более простых частиц трех типов, названных кварками. Если электрический заряд протона обозначить через е , то протон будет содержать два кварка с зарядом +(2/3е) и один кварк с зарядом –(1/3е), а нейтрон – один кварк с зарядом +(2/3е) и два кварка с зарядом –(1/3)е. Кварковая модель получила убедительное подтверждение в опытах по рассеянию электронов высоких энергий, которые, взаимодействуя с нуклонами, выявили наличие у них внутренней структуры.
В отличие от протона нейтрон нестабилен; в среднем через 15 мин свободный нейтрон самопроизвольно превращается в протон, электрон и антинейтрино. Нейтроны, входящие в состав стабильных ядер, подобных превращений не испытывают.
Благодаря наличию заряда и магнитного момента протоны реагируют на электрические и магнитные поля. Примером может служить ядерная магнитная томография. Спины протонов испытывают прецессию в магнитном поле. Регистрируя сигналы ядерного магнитного резонанса этих протонов при воздействии внешнего электромагнитного излучения, можно получить картину распределения атомов водорода в веществе. Манипулировать нейтронами труднее. Зато благодаря отсутствию электрического заряда нейтроны гораздо легче, нежели заряженные частицы, проникают в атомные ядра. При этом нейтроны вызывают превращения, подобные делению ядер, которое служит источником получения электрической энергии в огромных масштабах. См. также АТОМ; МОМЕНТЫ АТОМОВ И ЯДЕР; МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС; ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ; ДЕТЕКТОРЫ ЧАСТИЦ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ; ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.
Также по теме:
Литература:
Бейзер А. Основные представления современной физики. М., 1970
Элементарные частицы, вып. 9. М., 1973
Александров Ю.А. Фундаментальные свойства нейтронов. М., 1982
Элементарные частицы материи
Уже очень давно люди поняли, что материя не непрерывна, а состоит из мельчайших частиц, которые были названы атомами (с древнегреческого «неделимый»). Однако современная наука сейчас надежно установила, что атомы вполне себе делимы и состоят из более мелких субатомных частиц. О них мы здесь и поговорим.
Нуклон. Изотопы
Нуклоны (от лат. nucleus «ядро») — это частицы, входящие в состав ядра атома. Нуклон может существовать в двух состояниях: в виде частиц с положительным зарядом (такие нуклоны называются протонами) и частиц, не имеющих электрического заряда (их называют нейтронами).
Протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу, на которую приходится 99,9% массы всего атома.
Атомы каждого химического элемента имеют строго определенное количество протонов в ядре, которое равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. На рисунке ниже схематично изображен состав четырех ядер атома водорода, отличающихся только количеством нейтронов в ядре. Такие атомы называются изотопами.
На самом деле изотопов водорода сейчас известно больше — 7. Все изотопы одного элемента обладают одинаковыми химическими свойствами и расположены в одной клетке периодической системы. Зато физические свойства отличаются. Некоторые изотопы стабильны, а другие являются неустойчивыми и подвергаются радиоактивному распаду.
Но даже химические свойства изотопов одинаковы только в первом приближении. Например, это особенно явно проявляется для изотопов водорода. Самый распространенный в природе H-1 (протий) гораздо легче H-2 (дейтерия). Такое различие в массе влияет на упругость пара над легкой и тяжелой водой. Это приводит к изменениям концентрации веществ, влияет на постоянные химического равновесия, от которых зависит то, как будут протекать реакции. Для более тяжелых элементов разница масс изотопов уже не такая большая, и это практически не влияет на их химические свойства.
Легкие частицы (лептоны)
Электроны
Неделимые частицы, имеющие отрицательный элементарный заряд -1. По сути являются квантами электричества. Они окружают положительно заряженное ядро электронным облаком. Каждый электрон размещается на своей орбитали — области пространства, где он проводит большую часть своего времени. Размеры и формы электронных орбиталей вычислены расчетными квантово-механическими методами.
Масса электрона настолько мала по сравнению с массой нуклона, что она практически не влияет на массу всего атома. Чаще всего ей просто пренебрегают, если дело не касается расчетов энергии связи в ядре.
В электронейтральном атоме число электронов, вращающихся вокруг ядра, равно количеству протонов внутри него. Таким образом выполняется принцип электронейтральности. Когда атом теряет или приобретает электроны, он превращается в заряженную частицу.
Позитроны
Позитрон — это античастица электрона. От электрона отличается только зарядом, который противоположен по знаку и равен +1. Масса позитрона и электрона одинакова. Позитрон может образоваться в результаты радиоактивного распада ядра вместе с электроном. Этот процесс называется «рождением пар». Эта частица является антиматерией и долго существовать в свободном виде не может. Поэтому после рождения очень быстро «аннигилирует», сталкиваясь с первым встретившимся электроном вещества. При аннигиляции позитрона и электрона выделяется фотон, энергия которого равна их сумме.
Нейтрино
Нейтральные элементарные частицы (лептоны), которые участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Нейтрино практически не взаимодействует с материей (очень слабо), проникая сквозь неё. Именно поэтому нейтрино очень сложно зарегистрировать. Масса нейтрино не нулевая, но она очень мала. Эти частицы образуются в процессе радиоактивного бета-распада.
В процессе �� + -распада протон ядра превращается в нейтрон, излучая позитрон и нейтрино:
