post

Атомно ядро – характеристики – протони и неутрони

Атомно ядро и елекронна обвивка са двете основни съставни части на всеки атом във Вселената.

Атомно ядро – характеристики

В центъра на атома се разполага малкото по размер атомно ядро. Прието е да се смята, че формата му е почти сферична. Неговият радиус е около 10-15 метра. То е изградено от два вида частици – протони и неутрони. Те носят общото название нуклони.

Масата на атомното ядро, най-често се приема и за маса на целия атом, защото тази на електроните от електронната обвивка е пренебрежимо малка. Тя теоретично се формира като сбор от относителните маси на нуклоните, измерени в атомни единици: бр. протони х 1,0072765 + бр. неутрони х 1,0086652. Една атомна единица (u) има стойност в килограми: 1u = 1,660 540.10-27 kg.

Практическите измервания показват, че съществуват известни разминавания с теоретичните очаквания. Това явление се нарича дефект на масата и отразява минималните загуби при фактическото взаимодействие между нуклоните. Получените стойности се означават като относителна атомна маса (Ar).

Тъй като цялата маса на атома е концентрирана в неговото изключително малко атомно ядро, това определя и високите стойности на ядрената плътност: 1011 kg/cm3

Протони и неутрони – химични елементи и изотопи

Вече стана дума, че атомното ядро съдържа два вида частици. Протоните са положително заредени, а неутрони нямат заряд. Като правило атомите в основно състояние са електронеутрални системи. Това следва от факта, че броят на протоните в ядрото на атом в основно състояние е равен на броя на електроните в атомната обвивка. Тъй като зарядите на двете частици са противоположни, а по абсолютна стойност са равни, те взаимно се компенсират. Условните заряди на всяка частица са както следва: протон +1, електрон -1 и неутрон 0;

атомно ядро

атомно ядро представено схематично с електронната обвивка на атома на берилия

Най-важната характеристика на едно атомно ядро е броят на протоните му. Ако то има само един протон, това означава че атомът е на химичния елемент водород (Н), ако протоните са два то тогава атомът е на химичния елемент хелий (Не) и т.н. Казано по друг начин, различен брой протони означава друг вид атоми. Броят на протоните в ядрото определя на кой химичен елемент (E) принадлежи атома и съответно поредния номер (Z) на елемента в Периодичната система.

Изотопи

Количеството на неутроните в атомно ядро на атоми от даден химичен елемент също може да варира. Атомите с еднакъв брой протони, но с различен брой неутрони в ядрото си се наричат изотопи на конкретния елемент. Например химичният елемент водород има три изотопа – протий (обикновен водород), деутерий и тритий със съответно по 1, 2 или 3 неутрона. Изотопите обаче не са други химични елементи.

Величината, която отразява сбора на нуклоните в едно атомно ядро се нарича масово число (А). Атомите с много големи масови числа, обикновено имат нестабилни ядра, които преминават през процес наречен ядрен разпад (делене).

Елементарни частици и сили действащи в ядрото на всеки атом

Докато протоните предопределят материалната и химическата природа на даден атом, то възниква въпроса, каква е функцията на неутроните?

Ако имаше само положително заредени частици в едно атомно ядро, то те щяха да се отблъскват и ядрата да се саморазпадат. Неутроните са тези, които препятстват отблъскването между протоните. Освен това на такива малки разстояния, между тях и протоните действат т.нар. ядрени сили (фундаментални с много малък обхват – 2 фемтометра). Те превишават силите на взаимодействие между електрическите заряди от 100 до 1000 пъти. Благодарение на тях малките ядра са стабилни във времето.

Ядрените сили имат толкова ограничен обхват, че в по-тежките ядра те не възникват между по-отдалечените ядрени частици. Това налага присъствието на повече неутрони и създава предпоставки за самоволното разпадане на нестабилните ядра на тежките елементи.

Нуклоните, обменят помежду си елементарни частици – мезони. Мезоните съществуват в много кратък отрязък от време, но дори за толкова малко те могат да осигурят привличането на протоните и неутроните помежду им.

Съществуват и така наречените слаби сили, които подобно на ядрените действат на къси разстояния, но практически влияят на всички ядрени частици. Когато атом претърпява разпад, слабите сили карат един неутрон да се превърне в три отделни частици: протон, електрон и антинеутрино.

Структура на нуклоните

протон и неутрон

протон и неутрон и съставящите ги кварки

Нуклоните често се приемат за елементарни частици. Но оказва се, че самите те са изградени от други елементарни частици наречени кварки. Физиците познават 6 вида различни кварки, като протонът и неутронът са изградени от два от всичките шест (горен и долен). За разлика от другите частици, кварките притежават ел. заряд, който е част от основния. Например горните кварки имат +2/3, а долните -1/3 ел. заряд.

Протонът се състои от два горни и един долен кварк, а неутронът се състои от един горен и два долни. Сборът от зарядите на кварките на един протон дава точно +1, а този на кварките на неутрона дава 0. Неутрино и антинеутрино са елементарни частици с много малка и по-точно никаква маса, които с лекота преминават през повечето материали. Все още не е известна напълно тяхната функция, но се знае, че удовлетворяват Закона за запазване на масата и импулса.

Сходни Публикации

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!