1 Jądro atomu

Materia ma budowę ziarnistą, nieciągłą, gdyż dowolnie mała przestrzeń pomyślana w jej wnętrzu nie jest nią całkowicie wypełniona.

O nieciągłej budowie materii wnioskujemy z szeregu potocznych zjawisk. Na przykład proces dyfuzji gazów, czyli zjawisko samorzutnego mieszania się różnych gazów zachodzi dzięki temu, że pomiędzy skupieniami /cząsteczkami/ jednego z nich istnieją wolne przestrzenie, przez które mogą przenikać cząsteczki innego gazu.

Skupienia materii zwane cząsteczkami zbudowane są z mniejszych jednostek strukturalnych zwanych atomami.

Atom jest najmniejszą jednostką budowy pierwiastka chemicznego, ale już - bez naruszenia zasadniczych właściwości pierwiastka - niepodzielną.

Współczesny stan wiedzy o budowie materii przyjmuje, że atom zbudowany jest z jądra, w którego niezwykle małej objętości skupiona jest niemal cała masa atomu, oraz elektronów znajdujących się w stosunkowo dużej przestrzeni otaczającej jądro.

Elektrony i jądra atomowe posiadają ładunki elektryczne i te ładunki w dużej mierze odpowiedzialne są za własności omawianych cząstek i za budowę atomów.

Rutherford badając procesy rozpraszania cząstek ( rys.1.1 ) przechodzących przez cienką folię metalową doszedł do przekonania, że prawie cała masa atomu skupiona jest w bardzo małym dodatnio naładowanym jądrze atomowym. Otaczające to jądro powłoka elektronowa wyznacza całkowity rozmiar atomu. Promienie jąder atomowych są rzędu 10-14 do 10-15 m.

Rys.1.1 Rozpraszanie cząstek na foli

O rozmiarach atomów w porównaniu z rozmiarami jego części składowych informuje tablica 1.1

Tablica 1.1

Promień atomu i jego części składowych

Lp.

Promień

/ m/

1.

elektronu

mniejszy jak 10-15

2.

jądra wodoru H

1,5 x 10-13

3.

jądra uranu U

9 x 10-13

4.

atomu

10-8

Wnioski które sformułował Rutherford stały się podstawą wszystkich współczesnych teorii budowy atomu.

Badania procesów promieniotwórczych pozwoliły wyciągnąć wniosek, że jądra atomowe są również tworami złożonymi. Ustalono, że elementami składowymi jądra są neutrony i protony. Protonom i neutronom nadaje się często wspólną nazwę nukleonów.

Więcej o częściach składowych atomu

Elektron

Cząstka która posiada ujemny ładunek elementarny o wartości -1.602 x 10-19(C).

Dla wygody przyjęto, że elektron ma ładunek -1.

Proton

Cząstka o ładunku dodatnim +1 (odpowiednio, +1.602 x 10-19 C)

Neutron

Cząstka elektrycznie obojętna.

Uwaga: Ponieważ atom posiada jednakową ilość elektronów i protonów, dlatego jest elektrycznie obojętny

Protony i neutrony znajdują sie w jądrze. Jądro jest bardzo małe w porównaniu z wymiarem całego atomu. Całą pozostałą przestrzeń wokół jądra zajmują elektrony.

Elektrony są przyciągane siłami elektrostatycznymi przez protony znajdujące sie w jądrze.

Uwaga:Siła przyciągania elektronów przez protony decyduje o własnościach atomów (pierwiastków). Elektrony odgrywają dużą rolę w reakcjach chemicznych. Współczesny model budowy atomu, o czym będzie mowa w następnych rozdziałach, zakłada że elektrony rozmieszczone są na powłokach i tworzą wokół jądra chmury elektronowe.

Masy atomów są ekstremalnie małe. Dlatego do wyrażania masy atomów zastosowano jednostkę masy atomowej - unit (u).

Jednostka masy atomowej odpowiada 1.66054 x 10-24 grama.

Wyrażając w jednostkach masy atomowej masy składników atomu otrzymamy

Proton = 1.0073 u

Neutron = 1.0087 u

Elektron = 5.486 x 10-4 u

Z powyższego wynikają wnioski:

masy protonu i neutronu są prawie identyczne

w jądrze (protony plus neutrony) skupiona jest prawie cała masa atomu

elektrony które równoważą dodatni ładunek protonów mają masę równą tylko 0.05% całej ich masy

Rozmiary atomów są bardzo małe. Odpowiednio promienie jąder atomowych są rzędu 10-14 do 10-15m a promienie atomów są równe 0,6*10-10 - 2,6*10-10m.

Uwaga: Do wyrażenia rozmiarów atomów możemy wykorzystac inną jednostkę długości tj.angstrem (Å). Angstrem odpowiada 1 x 10-10 m. W tym przypadku, najwięcej atomów ma średnicę od 1 do 5 angstremów.

Ciekawe porównania

Główka szpilki ma średnicę około 1 x 10-3 m (milimetr długości). Atom ma średnicę 2.5 x 10-10 m, wtedy

(1 atom/2.5 x 10-10 m) * (1 x 10-3 m) = 4 x 106 atomów

czyli. cztery miliony atomów można rozmieścić wzdłuż średnicy główki szpilki.

Jeżeli ta sama główka szpilki będzie jądrem atomu, to odpowiednio średnica atomu bedzie miała wartość 10m (średnica jądra ma wymiar około 0,01% średnicy atomu).

Jądro atomowe - jaką ma gęstość?. Do rozważań przyjmiemy, że jądro składa się z 1 protonu i 1 neutronu:

Wtedy

masa jądra = ~2.0 u = 2 * (1.66 x 10-24 gram) = 3.32 x 10-24 gram

średnica jądra = (w przybliżeniu) 1 x 10-4 Å = 1 x 10-14 m

promień jądra r = 1 x 10-14 m/2 = 0.5 x 10-14 m

objętość jądra = (4/3)p(r)3 = 5.24 x 10-43 m3

masa/objętość = 3.32 x 10-24 g/5.24 x 10-43 m3 = 6.34 x 1018 g/m3

oznacza to, że 1 cm3 materii składającej sie tylko z neutronów i protonów będzie miał masę;

(6,34 x 1018 g/m3) * (1 x 10-6 m3) = 6.34 x 1012 gram

czyli sześć miliardów kilogramów, lub sześć milionów ton.

Oznaczenia i symbole

Jądro składa się z Z protonów i N neutronów. Proton i neutron mają w przybliżeniu takie same względne masy atomowe, równe 1. Wobec tego liczba nukleonów, będzie odpowiadać zaokrąglonej względnej masie atomowej M, ponieważ liczba masowa M = Z + N.

Proton pod względem wartości bezwzględnej ma taki sam ładunek elementarny jak elektron, zatem Z jest liczbą ładunkową jądra, albo liczbą porządkową atomu, który jako neutralny twór ma Z elektronów w powłoce.

Jako symbol jądra wykorzystuje się skrótowe oznaczenia pierwiastka chemicznego i dopisuje się wskaźnik dolny z lewej strony liczbę ładunkową Z a jako wskaźnik górny - liczbę masową M.

Liczbę neutronów otrzymuje się jako różnicę

N = M - Z

Przykład zapisu: ( przykład hel 42 He), (przykład uran 23892U)

Przykład - węgiel

Wszystkie atomy węgla (C) mają 6 protonów i 6 elektronów. Liczbę protonów w atomie węgla zapisujemy jako wskaźnik dolny z lewej strony symbolu pierwiastka:

Wartość ta nosi nazwę liczby atomowej i dla węgla zawsze ma wartość 6.

Inna liczba nazywana, "liczbą masową" jest zapisywana z lewej strony jako górny wskaźnik. Jest ona sumą ilości protonów i neutronów i jest różna dla różnych izotopów (definicja poniżej). Na przykład:

W powyższym przykładzie izotop węgla ma 6 protonów i 6 neutronów. Następny izotop węgla:

ma 6 protonów (liczba atomowa) i 8 neutronów (8=14-6). Te izotopy znane są jako "węgiel-14" i "wegiel-12". Z ogólnej ilości izotopów węgla - węgla-12 jest najwięcej (ok.99%).

Zbiór atomów o tej samej wartości liczby atomowej i masowej (o tej samej liczbie nukleonów w jądrze) nazywa sie nuklidem.

Izotopy tego samego pierwiastka mają bardzo zbliżone właściwości chemiczne, ponieważ o właściwościach chemicznych atomu decyduje liczba elektronów oraz energia oddziaływań.

Nuklidy, izotopy, izobary, izotony.

Jądro atomu każdego pierwiastka ma inną i charakterystyczną dla tego pierwiastka liczbę Z protonów, określającą ładunek jądra. Jednakże różne jądra tego samego pierwiastka mogą się różnić liczbą neutronów a zatem liczbą masową M.

Większość naturalnych pierwiastków zawiera mieszaninę różnych jąder. Najwięcej typów jąder zawiera cyna - bo aż 10 rodzajów.

Pierwiastków czystych składających się z jąder tylko jednego rodzaju jest 22 tj. Be, F, Na, Al., P, Sc, V, Mn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Tl, Au, Bi.

Ponieważ jądra o tej samej liczbie protonów należą do tego samego pierwiastka a zatem umieszczone są na tym samym miejscu układu okresowego pierwiastków, są one określane jako izotopy.

Określenie izotop oznacza zawsze jądra, które należą do tego samego pierwiastka, czyli mają taką samą liczbę atomową a różnią się liczbą masową.

Jądra o tej samej liczbie masowej nazywa się izobarami, np. jądro H-3 i He-3.

Natomiast jądra o takim samym składzie a różniące się tylko energią nazywa się izomerami. Izomer jądrowy różni się od jądra w zwykłym stanie nie składem jądra, lecz jego strukturą co oznaczamy przez dodanie litery m przy liczbie masowej. Na przykład ; 115mJn, oznacza izomer jądra 115Jn.

---