Строеж на атома и атомното ядро

Думата атом означава неделим. Според древногръцкия учен Демокрит съществуват само атоми и празно пространство. Минават много векове, докато учените разгадаят строежа на атома.

Ядрен модел на атома

Британският физик Ърнест Ръдърфорд открива опитно, че в центъра на атома е разположено ядро, в което е съсредоточена почти цялата маса на атома (над 99,9%). Атомното ядро има положителен електричен заряд Ze, където е е елементарният електричен заряд, равен по големина на заряда на електрона, а Z – поредният номер на съответния химичен елемент в периодичната таблица. Понеже атомът е електронеутрален, в него трябва да има и Z електрона, чийто общ отрицателен заряд –Ze да неутрализира положителния заряд на ядрото. Ядрото привлича електроните с електрични сили, под действие на които те непрекъснато обикалят около него подобно на планетите около Слънцето. Поради приликата със Слънчевата система ядреният модел на атома, създаден от Ръдърфорд, се нарича още планетарен модел на атома.

Най-просто е устроен атомът на водорода (фиг. 1), в който има само един електрон. Положителният заряд на ядрото на водорода е равен по големина на заряда на електрона (Z = 1). Това ядро е наречено протон и се разглежда като елементарна частица, влизаща в състава и на другите ядра. Масата на протона е 1836 пъти по-голяма от масата на електрона.

Кой е открил електрона?

Кой е открил протона?

Кой е открил неутрона?

Опити на Ръдърфорд

Ръдърфорд обстрелва атомите на тънки пластинки от злато с алфа-частици. Както ще видим в следващия урок, алфа-частиците са частици с положителен електричен заряд и с голяма кинетична енергия, които се изпускат от атомите на някои елементи. Опитът показва, че повечето алфа-частици преминават лесно през атомите и се наблюдават само малки отклонения в посоката на тяхното движение. Отделни частици обаче (една на всеки 10 000) рязко променят посоката си и се връщат назад (фиг. 2). Това може да стане само ако частиците се сблъскат с обекти с голяма маса. Малкият брой на отклонените частици говори, че размерите на обектите са твърде малки, а по-голямата част от пространството е почти празна. От тези резултати през 1911 г. Ръдърфорд стига до извода, че в центъра на атома е разположено положително заредено плътно ядро.

Строеж на атомното ядро

Ръдърфорд изказва предположението, че освен положително заредени протони атомните ядра съдържат и незаредени частици. По-късно тези нови частици са открити експериментално и са наречени неутрони. Протонът и неутронът имат приблизително еднакви маси.

Атомното ядро е изградено от протони и неутрони.

Тъй като атомът е електронеутрален, броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните на атома. Следователно атомният номер Z показва както колко електрона има в обвивката на атомите на този елемент, така и колко са протоните в техните ядра. Например за химичния елемент хелий Z = 2. Това означава, че ядрото на хелиевия атом съдържа два протона. Сумата от броя на протоните Z и броя на неутроните N в ядрото се нарича масово число и се означава с буквата A:

A = Z + N. масово число

Изотопи

Всички ядра на атоми на един химичен елемент съдържат точно определен брой Z протони, който е равен на атомния номер на елемента. Броят на неутроните обаче може да е различен.

Атомите на един и същ химичен елемент, които имат в ядрата си различен брой неутрони, се наричат изотопи.

След като броят на неутроните е различен, различно е и масовото число A = Z + N на изотопите на един и същ химичен елемент. Ще означаваме изотопите, като след наименованието на химичния елемент запишем масовото число на изотопа. Например въглерод-12 е изотопът на въглерода с масово число A = 12. Изотопите на водорода имат собствени названия (фиг. 3).

Проверете какво сте научили

Пример. Атомният номер на урана е Z = 92. Природният уран се състои главно от два изотопа: уран-238 и уран-235. Колко неутрона се съдържат в ядрата на тези изотопи?

Решение

N = A – Z;
N₁ = 238 − 92 = 146 неутрона;
N₂ = 235 − 92 = 143 неутрона.