Массовое число — mass number

Похожие термины для разных количеств

Атомная масса или относительная изотопная масса иногда путают или неправильно используют как синонимы относительной атомной массы (также известной как атомный вес) или стандартного атомного веса (особая разновидность атомной массы в том смысле, что она стандартизована). Однако, как было отмечено во введении, атомная масса — это абсолютная масса, в то время как все остальные члены безразмерны. Относительная атомная масса и стандартный атомный вес представляют собой термины для (взвешенных по содержанию) средних относительных атомных масс в элементарных пробах, а не для отдельных нуклидов. Таким образом, относительная атомная масса и стандартный атомный вес часто численно отличаются от относительной изотопной массы.

Атомная масса (относительная изотопная масса) определяется как масса одного атома, который может быть только одним изотопом (нуклидом) за раз, и не является средневзвешенным по содержанию, как в случае относительной атомной массы / атомной массы. вес. Следовательно, атомная масса или относительная изотопная масса каждого изотопа и нуклида химического элемента является числом, которое в принципе может быть измерено с очень большой точностью, поскольку ожидается, что каждый образец такого нуклида будет в точности идентичен любому другому образцу. поскольку ожидается, что все атомы данного типа в одном и том же энергетическом состоянии и каждый образец конкретного нуклида будут точно идентичны по массе любому другому образцу этого нуклида. Например, ожидается, что каждый атом кислорода-16 будет иметь точно такую ​​же атомную массу (относительную изотопную массу), что и любой другой атом кислорода-16.

В случае многих элементов, которые имеют один встречающийся в природе изотоп ( мононуклидные элементы ) или один доминирующий изотоп, фактическое численное сходство / различие между атомной массой наиболее распространенного изотопа и (стандартной) относительной атомной массой или (стандартной) атомной массой вес может быть небольшим или даже нулевым и не влияет на большинство массовых вычислений

Однако такая ошибка может существовать и даже быть важной при рассмотрении отдельных атомов для элементов, которые не являются мононуклидами.. Для немононуклидных элементов, которые имеют более одного общего изотопа, численное различие в относительной атомной массе (атомном весе) даже от наиболее распространенной относительной изотопной массы может составлять половину единицы массы или более (например, см

Случай хлора, где атомарный вес) вес и стандартная атомная масса около 35,45). Атомная масса (относительная изотопная масса) необычного изотопа может отличаться от относительной атомной массы, атомного веса или стандартного атомного веса на несколько единиц массы.

Для немононуклидных элементов, которые имеют более одного общего изотопа, численное различие в относительной атомной массе (атомном весе) даже от наиболее распространенной относительной изотопной массы может составлять половину единицы массы или более (например, см. Случай хлора, где атомарный вес) вес и стандартная атомная масса около 35,45). Атомная масса (относительная изотопная масса) необычного изотопа может отличаться от относительной атомной массы, атомного веса или стандартного атомного веса на несколько единиц массы.

Относительные изотопные массы всегда близки к целым числам, но никогда (за исключением случая углерода-12) точно целым числам по двум причинам:

  • протоны и нейтроны имеют разную массу, а разные нуклиды имеют разное соотношение протонов и нейтронов.
  • атомные массы уменьшаются в разной степени их энергиями связи .

Отношение атомной массы к массовому числу (числу нуклонов) варьируется от 0,99884 для 56 Fe до 1,00782505 для 1 H.

Любой дефект массы из-за энергии связи ядра экспериментально составляет небольшую долю (менее 1%) массы равного числа свободных нуклонов. По сравнению со средней массой на нуклон в углероде-12, который умеренно сильно связан по сравнению с другими атомами, дефект связывания массы для большинства атомов составляет даже меньшую долю дальтона ( единая атомная единица массы , основанная на углероде. 12). Поскольку свободные протоны и нейтроны отличаются друг от друга по массе на небольшую долю дальтона (около 0,0014 Да ), округление относительной изотопной массы или атомной массы любого данного нуклида, выраженной в дальтонах, до ближайшего целого числа всегда дает нуклон count, или массовое число. Кроме того, число нейтронов ( число нейтронов ) может быть затем получено путем вычитания числа протонов ( атомного числа ) из массового числа (числа нуклонов).

Закон радиоактивного распада

Если имеется большое количество одинаковых радиоактивных ядер, то вероятность распада каждого из них в любой момент времени одинакова. Радиоактивный распад любого ядра является случайным процессом, поэтому момент его распада предсказать невозможно.

Однако для большого числа частиц, находящихся в образце вещества, выполняется статистический закон радиоактивного распада.

Закон радиоактивного распада:
число нераспавшихся атомных ядер при естественном радиоактивном распаде экспоненциально уменьшается с течением времени.

Период полураспада – это время, в течение которого распадается половина способных к распаду ядер.

В начальный момент времени ​\( t \)​ = 0, число атомных ядер ​\( N_0 \)​.

Через промежуток времени, равный периоду полураспада ​\( t=T_{1/2} \)​, число атомных ядер ​\( N=\frac{N_0}{2} \)​.

Через промежуток времени, равный двум периодам полураспада \( t=2T_{1/2} \), число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{4}=\frac{N_0}{2^2} \).

Через промежуток времени, равный ​\( n \)​ периодам полураспада ​\( t=nT_{1/2} \)​, число атомных ядер \( N=\frac{N_0}{2^n} \).

где ​\( N \)​ – число нераспавшихся атомных ядер к моменту времени ​\( t \)​; ​\( N_0 \)​ – начальное число атомных ядер; ​\( T_{1/2} \)​ – период полураспада.

На рисунке период полураспада соответствует времени, в течение которого число радиоактивных ядер (активность) уменьшается вдвое.

Решебник к сборнику задач по физике для 7- 9 классов, Перышкин А.В.

1846. Сколько электронов вращается вокруг ядра в нейтральном атоме:а) углерода, б) серебра, в) урана?

Массовое число - mass number
1847. Каков заряд (в элементарных зарядах е) ядер атомов кислорода !gO, калия JgK и меди ggCu? Найдите массу (в а.е.м.) ядер атомов этих же элементов.

Массовое число - mass number
1848. Масса ядра атома какого элемента меньше: магния 12 Mg или водорода jH? Во сколько раз?

Массовое число - mass number
1849. Каково массовое число ядра атома азота ^N? Какова масса ядра в а.е.м. (с точностью до целых чисел)?

14

1850. Каково зарядовое число ядра атома азота ^N? Каков заряд ядра (в элементарных зарядах е)?

7, 7e.

1851. Определите число электронов в атоме брома з°Вг. Чему равен (в элементарных зарядах е) суммарный заряд всех электронов?

Массовое число - mass number
1852. Сколько нуклонов входит в состав ядра атома бора !!?В? олова XgQВ? полония 2Ро?

Массовое число - mass number
1853. Сколько протонов и нейтронов содержит ядро атома:а) гелия IНе;б) алюминия 13 А1;в) фосфора 15 Р? 

Массовое число - mass number
1854. Для нейтрального атома лития gLi определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов.

1855. Для нейтрального атома фтора определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов.

1856. Определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов, содержащихся в нейтральном атоме неона 20 Ne lOi’NC.

Массовое число - mass number
1857. Для нейтрального атома цинка ^Zn определите число нуклонов, протонов, нейтронов и электронов.

Массовое число - mass number
1858. Определите число протонов, нейтронов, электронов и нуклонов в нейтральных атомах: ^О; ^О; ^О? Чем отличаются эти атомы? Что в них общего?

Массовое число - mass number
1859. Запишите реакцию естественного радиоактивного распада радия 2ggRa, при котором испускается а-частица. Найдите образующийся при этом химический элемент.

Массовое число - mass number
1860. Запишите реакцию радиоактивного распада изотопа свинца 2^РЬ С испусканием р-частицы. Во что при этом превращается ядро изотопа свинца?

Массовое число - mass number
1861. Запишите реакцию радиоактивного распада плутония, в результате которого 2gPu превращается в уран 235 т т 92 U *

Массовое число - mass number
1862. Запишите реакцию радиоактивного распада натрия, в результате которого 22 Na превращается в магний

Массовое число - mass number
1863. Найдите неизвестные элементы в следующих реакциях радиоактивного распада:zX^2°!Pb+>;Массовое число - mass number

1864. Ядро атома криптона ^Кг шесть раз испытало радиоактивный (3-распад. Какое ядро получилось в результате? Запишите реакции.

Массовое число - mass number

1865. Ядро атома ксенона ^JXe превращается в стабильное ядро атома церия ^gCe. Сколько электронов при этом испускается? Запишите эти реакции. 

Массовое число - mass number

1866. Как меняется массовое число элемента при испускании ядром у-кванта? Изменяются ли при этом масса ядра и порядковый номер элемента?

Массовое число - mass number

1867. а-Частица испускается ядром, образовавшимся при бомбардировке изотопа бора В нейтронами. В ядрокакого элемента превратился изотоп бора ^В? Запишите эту реакцию.

Массовое число - mass number

1868. При облучении плутония ^Ри ядрами неона ^Neполучается элемент резерфордий и еще четыре нейтрона. Напишите реакцию.

Массовое число - mass number

1869. Допишите неизвестные символы X, Z, А ядерных реакций:а) *Н + JX-^He+o’n;б) %Х+\Н^>32Не+*11е;в) ^U+fX^Es + бЯ{Указание. Используйте Периодическую таблицу Менделеева.)

Массовое число - mass number

1870. Масса атома бора равна 11,009305 а.е.м., масса атома водорода равна 1,007825 а.е.м., масса нейтрона — 1,008665 а.е.м. Найдите дефект массы ядра бора “В. Какова энергия связи ядра бора?

Массовое число - mass number

Основное и возбужденнео состояние атома

Электронные формулы, которые мы составляли до этого, соответствуют основному энергетическому состоянию атома. Это наиболее выгодное энергетически состояние атома.

Однако, чтобы образовывать химические связи, атому в большинстве ситуаций необходимо наличие неспаренных (одиночных) электронов.  А химические связи энергетически очень для атома выгодны. Следовательно, чем больше в атоме неспаренных электронов  — тем больше связей он может образовать, и, как следствие, перейдёт в более выгодное энергетическое состояние.

Поэтому при наличии свободных энергетических орбиталей на данном уровне спаренные пары  электронов могут распариваться, и один из электронов спаренной пары может переходить на вакантную орбиталь. Таким образом число неспаренных электронов увеличивается, и атом может образовать больше химических связей, что очень выгодно с точки зрения энергии. Такое состояние атома называют возбуждённым и обозначают звёздочкой.

Например, в основном состоянии бор имеет следующую конфигурацию энергетического уровня:

+5B 1s22s22p1      1s    2s     2p 

На втором уровне (внешнем) одна спаренная электронная пара, один одиночный электрон и пара свободных (вакантных) орбиталей. Следовательно, есть возможность для перехода электрона из пары на вакантную орбиталь, получаем возбуждённое состояние атома бора (обозначается звёздочкой):

+5B* 1s22s12p2      1s    2s     2p

Попробуйте самостоятельно составить электронную формулу, соответствующую возбуждённому состоянию атомов. Не забываем проверять себя по ответам!

15. Углерода

16. Бериллия

17. Кислорода

Электронные формулы элементов первых четырех периодов

Рассмотрим заполнение электронами оболочки элементов первых четырех периодов. У водорода заполняется самый первый энергетический уровень, s-подуровень, на нем расположен 1 электрон:

+1H 1s1      1s 

У гелия 1s-орбиталь полностью заполнена:

+2He 1s2      1s

Поскольку первый энергетический уровень вмещает максимально 2 электрона, у лития начинается заполнение второго энергетического уровня, начиная с орбитали с минимальной энергией — 2s. При этом сначала заполняется первый энергетический уровень:

+3Li 1s22s1      1s    2s 

У бериллия 2s-подуровень заполнен:

+4Be 1s22s2      1s    2s 

Далее, у бора заполняется p-подуровень второго уровня:

+5B 1s22s22p1      1s    2s     2p 

У следующего элемента, углерода, очередной электрон, согласно правилу Хунда, заполняет вакантную орбиталь, а не заполняет частично занятую:

+6C 1s22s22p2      1s    2s     2p 

Попробуйте составить электронную и электронно-графическую формулы для следующих элементов, а затем можете проверить себя  по ответам конце статьи:

5. Азот

6. Кислород

7. Фтор

У неона завершено заполнение второго энергетического уровня: 

+10Ne 1s22s22p6      1s    2s     2p 

У натрия начинается заполнение третьего энергетического уровня:

+11Na 1s22s22p63s1      1s    2s     2p      3s 

От натрия до аргона заполнение 3-го уровня происходит в том же порядке, что и заполнение 2-го энергетического уровня. Предлагаю составить электронные формулы элементов от магния до аргона самостоятельно, проверить по ответам.

8. Магний

9. Алюминий

10. Кремний

11. Фосфор

12. Сера

13. Хлор

14. Аргон

А вот начиная с 19-го элемента, калия, иногда начинается путаница — заполняется не 3d-орбиталь, а 4s. Ранее мы упоминали в этой статье, что заполнение энергетических уровней и подуровней электронами происходит по энергетическому ряду орбиталей, а не по порядку. Рекомендую повторить его еще раз. Таким образом, формула калия:

+19K 1s22s22p63s23p64s11s 2s 2p3s 3p4s

Для записи дальнейших электронных формул в статье будем использовать сокращенную форму:

 +19K   4s1     4s 

У кальция 4s-подуровень заполнен:

+20Ca   4s2     4s

У элемента 21, скандия, согласно энергетическому ряду орбиталей, начинается заполнение 3d-подуровня:

+21Sc   3d14s2     4s    3d 

Дальнейшее заполнение 3d-подуровня происходит согласно квантовым правилам, от титана до ванадия:

+22Ti   3d24s2     4s    3d

+23V   3d34s2       4s    3d 

Однако, у следующего элемента порядок заполнения орбиталей нарушается. Электронная конфигурация хрома такая:

+24Cr   3d54s1       4s    3d 

В чём же дело? А дело в том, что при «традиционном» порядке заполнения орбиталей (соответственно, неверном в данном случае — 3d44s2) ровно одна ячейка в d-подуровне оставалась бы незаполненной. Оказалось, что такое заполнение энергетически менее выгодно. А более выгодно, когда d-орбиталь заполнена полностью, хотя бы единичными электронами. Этот лишний электрон переходит с 4s-подуровня. И небольшие затраты энергии на перескок электрона с 4s-подуровня с лихвой покрывает энергетический эффект от заполнения всех 3d-орбителей. Этот эффект так и называется — провал или проскок электрона. И наблюдается он, когда d-орбиталь недозаполнена на 1 электрон (по одному электрону в ячейке или по два).

У следующих элементов «традиционный» порядок заполнения орбиталей снова возвращается. Конфигурация марганца:

+25Mn   3d54s2

 Аналогично у кобальта и никеля. А вот у меди мы снова наблюдаем провал (проскок) электрона — электрон опять проскакивает с 4s-подуровня на 3d-подуровень:

+29Cu   3d104s1

На цинке завершается заполнение 3d-подуровня:

+30Zn   3d104s2

У следующих элементов, от галлия до криптона, происходит заполнение 4p-подуровня по квантовым правилам. Например, электронная формула галлия:

+31Ga   3d104s24p1

Формулы остальных элементов мы приводить не будем, можете составить их самостоятельно и проверить себя в Интернете.

Некоторые важные понятия:

Внешний энергетический уровень — это энергетический уровень в атоме с максимальным номером, на котором есть электроны. Например, у меди   (3d104s1) внешний энергетический уровень — четвёртый.

Валентные электроны — электроны в атоме, которые могут участвоват ьв образовании химической связи. Например, у хрома (+24Cr   3d54s1) валентными являются не только электроны внешнего энергетического уровня (4s1), но и неспаренные электроны на 3d-подуровне, т.к. они могут образовывать химические связи.

Связь между атомной и молекулярной массами

Подобные определения применимы к молекулам . Можно вычислить молекулярную массу соединения, добавив атомные массы или массы нуклидов (а не стандартные атомные массы) составляющих его атомов (нуклидов). И наоборот, молярная масса обычно вычисляется на основе стандартных атомных масс (а не атомных масс или масс нуклидов). Таким образом, молекулярная масса и молярная масса немного различаются по числовым значениям и представляют разные понятия. Молекулярная масса — это масса молекулы, которая является суммой составляющих ее атомных масс. Молярная масса — это среднее значение масс составляющих молекул в химически чистом, но изотопно гетерогенном ансамбле. В обоих случаях необходимо учитывать множественность атомов (количество раз, когда она встречается), обычно путем умножения каждой уникальной массы на ее кратность.

Молярная масса of CH 4
Стандартный атомный вес Число Общая молярная масса (г / моль) или молекулярная масса (Да или г / моль)
C 12,011 1 12,011
ЧАС 1,008 4 4,032
CH 4 16,043
Молекулярная масса 12 C 1 H 4
Масса нуклида Число Общая молекулярная масса (Da или u)
12 С 12.00 1 12.00
1 ч 1,007825 4 4,0313
CH 4 16.0313

Массовые дефекты в атомных массах

Массовое число - mass number
Энергия связи на нуклон обычных изотопов. График отношения массового числа к атомной массе будет аналогичным.

Величина, на которую отношение атомных масс к массовому числу отклоняется от 1, выглядит следующим образом: отклонение начинается положительным при водороде -1, затем уменьшается, пока не достигнет локального минимума при гелии-4. Изотопы лития, бериллия и бора связаны менее прочно, чем гелий, о чем свидетельствует возрастающее отношение их массы к массовому числу.

Для углерода отношение массы (в дальтонах) к массовому числу определяется как 1, а после углерода оно становится меньше единицы до тех пор, пока не будет достигнут минимум на уровне железа-56 (с лишь немного более высокими значениями для железа-58 и никеля-62. ), затем возрастает до положительных значений в тяжелых изотопах с увеличением атомного номера. Это соответствует тому факту, что деление ядра в элементе тяжелее циркония дает энергию, а деление в любом элементе легче ниобия требует энергии. С другой стороны, ядерный синтез двух атомов элемента, который легче скандия (кроме гелия), производит энергию, тогда как синтез элементов тяжелее кальция требует энергии. Слияние двух атомов 4 He с образованием бериллия-8 потребует энергии, и бериллий снова быстро развалится. 4 Он может плавиться с тритием ( 3 H) или с 3 He; эти процессы произошли во время нуклеосинтеза Большого взрыва . Для образования элементов с более чем семью нуклонами требуется слияние трех атомов 4 He в тройном альфа-процессе , пропуская литий, бериллий и бор с образованием углерода-12.

Вот некоторые значения отношения атомной массы к массовому числу:

Нуклид Отношение атомной массы к массовому числу
1 ч 1,00782505
2 ч 1,0070508885
3 ч 1,0053497592
3 Он 1,0053431064
4 Он 1.0006508135
6 Ли 1,0025204658
12 С 1
14 с.ш. 1.0002195718
16 O 0,9996821637
56 Fe 0,9988381696
210 По 0,9999184462
232 Чт 1.0001640315
238 U 1.0002133958

Изменение массового числа при радиоактивном распаде

Различные типы радиоактивного распада характеризуются изменениями их массового числа, а также атомного номера , в соответствии с законом радиоактивного смещения Фаянса и Содди . Например, уран-238 обычно распадается в результате альфа-распада , при котором ядро ​​теряет два нейтрона и два протона в виде альфа-частицы . Таким образом, атомный номер и количество нейтронов уменьшаются каждое на 2 ( Z : 92 → 90, N : 146 → 144), так что массовое число уменьшается на 4 ( A = 238 → 234); в результате получается атом тория-234 и альфа-частица (4 2Он2+):

238 92 →  234 90Чт  4 2Он2+

С другой стороны, углерод-14 распадается в результате бета-распада , в результате чего один нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино . Таким образом, атомный номер увеличивается на 1 ( Z : 6 → 7), а массовое число остается прежним ( A = 14), а количество нейтронов уменьшается на 1 ( N : 8 → 7). В результате получается атом азота-14 с семью протонами и семью нейтронами:

14 6 →  14 7 е-  νе

Бета-распад возможен, потому что разные изобары имеют разность масс порядка нескольких масс электронов . Если возможно, нуклид подвергнется бета-распаду на соседнюю изобару с меньшей массой. В отсутствие других мод распада каскад бета-распадов заканчивается на изобаре с наименьшей атомной массой .

Другой тип радиоактивного распада без изменения массового числа — это испускание гамма-излучения из ядерного изомера или метастабильного возбужденного состояния атомного ядра. Поскольку все протоны и нейтроны остаются в ядре неизменными в этом процессе, массовое число также не изменяется.

Относительная изотопная масса

Относительную изотопную массу (свойство отдельного атома) не следует путать со средней атомной массой (см. Выше), то есть средним значением для многих атомов в данном образце химического элемента.

В то время как атомная масса — это абсолютная масса, относительная изотопная масса — это безразмерное число без единиц измерения. Эта потеря единиц является результатом использования коэффициента масштабирования по отношению к стандарту углерода-12, и слово «относительный» в термине «относительная изотопная масса» относится к этому масштабированию относительно углерода-12.

Таким образом, относительная изотопная масса — это масса данного изотопа (в частности, любого отдельного нуклида ), когда это значение масштабируется на массу углерода-12 , причем последняя должна определяться экспериментально. Эквивалентно относительная изотопная масса изотопа или нуклида — это масса изотопа относительно 1/12 массы атома углерода-12.

Например, относительная изотопная масса атома углерода-12 составляет ровно 12. Для сравнения, атомная масса атома углерода-12 составляет ровно 12 дальтон . В качестве альтернативы, атомная масса атома углерода-12 может быть выражена в любых других единицах массы: например, атомная масса атома углерода-12 составляет около1.998 467 052 × 10 −26  кг .

Как и в случае с соответствующей атомной массой, выраженной в дальтонах , относительные изотопные массовые числа нуклидов, кроме углерода-12, не являются целыми числами, но всегда близки к целым числам. Более подробно это обсуждается ниже.

Энергия связи нуклонов в ядре. Ядерные силы

Между нуклонами ядра действуют самые мощные силы природы – ядерные силы.

Ядерные силы – это силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в атомном ядре и обеспечивающие существование устойчивых ядер.

Свойства ядерных сил:

  • являются силами притяжения;
  • являются короткодействующими силами (действуют на малых расстояниях, не превышающих 2·10-15 м; на таком расстоянии ядерные силы больше кулоновских приблизительно в 100 раз);
  • обладают свойством зарядовой независимости (ядерные силы, действующие между двумя протонами, двумя нейтронами и между протоном и нейтроном, одинаковы);
  • имеют свойство насыщения (каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов, а не со всеми нуклонами ядра);
  • не являются центральными (не действуют по линии, соединяющей центры взаимодействующих нуклонов).

Массу ядра можно точно определить с помощью масс-спектрографов, которые разделяют заряженные частицы с разными удельными зарядами с помощью электрических и магнитных полей.

Опытным путем было установлено, что благодаря действию сил притяжения масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и масс нейтронов, входящих в состав этого ядра:

где ​\( M \)​ – масса ядра.

Дефект масс – это величина, равная разности суммы масс входящих в ядро нуклонов и массы ядра:

где ​\( \Delta m \)​ – дефект масс.

Благодаря ядерным силам ядра атомов обладают огромной энергией связи.

Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных нуклонов:

где ​\( \Delta E_{св} \)​ – энергия связи, ​\( c \)​ – скорость света.

Если в формуле энергии связи массы протона и нейтрона выражены в килограммах, а скорость света – в метрах в секунду, то энергия связи будет измерена в джоулях. Однако в физике атома и атомного ядра энергию ядер и элементарных частиц чаще выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Энергетический эквивалент 1 а.е.м.

Массовое число - mass number

Поэтому энергию связи можно рассчитать следующим образом:

В этом случае энергия связи измеряется в мегаэлектронвольтах (МэВ).

Для характеристики прочности ядра используется величина, которая называется удельной энергией связи.

Удельная энергия связи – это энергия связи ядра, приходящаяся на один нуклон ядра:

где ​\( A \)​ – массовое число.

Удельная энергия связи неодинакова для разных химических элементов и даже для изотопов одного и того же химического элемента. Удельная энергия связи нуклона в ядре меняется в среднем в пределах от 1 МэВ у легких ядер до 8,6 МэВ у ядер средней массы (с массовым числом ​\( A \)​ ≈ 100). У тяжелых ядер (​\( A \)​ ≈ 200) удельная энергия связи нуклона меньше, чем у ядер средней массы, приблизительно на 1 МэВ, так что их превращение в ядра среднего веса (деление на 2 части) сопровождается выделением энергии в количестве около 1 МэВ на нуклон, или около 200 МэВ на ядро. Превращение легких ядер в более тяжелые ядра дает еще больший энергетический выигрыш в расчете на нуклон.

Массовое число - mass number

Зависимость удельной энергии связи от массового числа установили экспериментально. Из рисунка хорошо видно, что, не считая самых легких ядер, удельная энергия связи примерно постоянна и равна 8 МэВ/нуклон. Отметим, что энергия связи электрона и ядра в атоме водорода, равная энергии ионизации, почти в миллион раз меньше этого значения. Кривая на рисунке имеет слабо выраженный максимум. Максимальную удельную энергию связи (8,6 МэВ/нуклон) имеют элементы с массовыми числами от 50 до 60, т. е. железо и близкие к нему по порядковому номеру элементы. Ядра этих элементов наиболее устойчивы.

У тяжелых ядер удельная энергия связи уменьшается за счет возрастающей с увеличением ​\( Z \)​ кулоновской энергии отталкивания протонов. Кулоновские силы стремятся разорвать ядро.

Строение электронной оболочки

Согласно квантовой модели строение атома Нильса Бора, электроны в атоме могут двигаться только по определенным (стационарным) орбитам, удаленным от ядра на определенное расстояние и характеризующиеся определенной энергией. Другое название стационарны орбит — электронные слои или энергетические уровни.

Электронные уровни можно обозначать цифрами — 1, 2, 3, …, n. Номер слоя увеличивается мере удаления его от ядра. Номер уровня соответствует главному квантовому числу n.

В одном слое электроны могут двигаться по разным траекториям. Траекторию орбиты характеризует электронный подуровень. Тип подуровня характеризует орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, 3 …, либо соответствующие буквы — s, p, d, g и др.

Массовое число - mass number

В рамках одного подуровня (электронных орбиталей одного типа) возможны варианты расположения орбиталей в пространстве. Чем сложнее геометрия орбиталей данного подуровня, тем больше вариантов их расположения в пространстве. Общее число орбиталей подуровня данного типа l можно определить по формуле: 2l+1. На каждой орбитали может находиться не более двух электронов.

Тип орбитали s p d f g
Значение орбитального квантового числа l 1 2 3 4
Число атомных орбиталей данного типа 2l+1 1 3 5 7 9
Максимальное количество электронов на орбиталях данного типа 2 6 10 14 18

Получаем сводную таблицу:

Номер уровня, n

Подуро-вень Число

АО

Максимальное количество электронов
1 1s 1   2
2 2s 1     2
2p 3   6

3

3s 1   2
3p 3   6
3d 5  10

4

4s 1    2
4p 3     6
4d 5 10
4f 7

 14

Заполнение электронами энергетических орбиталей происходит согласно некоторым основным правилам. Давайте остановимся на них подробно.

Принцип Паули (запрет Паули): на одной атомной орбитали могут находиться не более двух электронов с противоположными спинами (спин — это квантовомеханическая характеристика движения электрона).

Правило Хунда. На атомных орбиталях с одинаковой энергией электроны располагаются по одному с параллельными спинами. Т.е. орбитали одного подуровня заполняются так: сначала на каждую орбиталь распределяется по одному электрону. Только когда во всех орбиталях данного подуровня распределено по одному электрону, занимаем орбитали вторыми электронами, с противоположными спинами.

Таким образом, сумма спиновых квантовых чисел таких электронов на одном энергетическом подуровне (оболочке) будет максимальной.

Например, заполнение 2р-орбитали тремя электронами будет происходить так: , а не так: 

Принцип минимума энергии. Электроны заполняют сначала орбитали с наименьшей энергией. Энергия атомной орбитали эквивалентна сумме главного и орбитального квантовых чисел: n + l. Если сумма одинаковая, то заполняется первой та орбиталь, у которой меньше главное квантовое число n.

АО 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s 4p 4d 4f 5s 5p 5d 5f 5g
n 1 2 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 5
l 1 1 2 1 2 3 1 2 3 4
n + l 1 2 3 3 4 5 4 5 6 7 5 6 7 8 9

Таким образом, энергетический ряд орбиталей выглядит так:

1s < 2s < 2 p < 3s < 3p < 4s < 3d < 4p < 5s < 4d < 5p < 6s < 4f~5d < 6p < 7s <5f~6

Электронную структуру атома можно представлять в разных формах — энергетическая диаграмма, электронная формула и др. Разберем основные.

Энергетическая диаграмма атома — это схематическое изображение орбиталей с учетом их энергии. Диаграмма показывает расположение электронов на энергетических уровнях и подуровнях. Заполнение орбиталей происходит согласно квантовым принципам.

Например, энергетическая диаграмма для атома углерода:

Электронная формула — это запись распределения электронов по орбиталям атома или иона. Сначала указывается номер уровня, затем тип орбитали. Верхний индекс справа от буквы показывает число электронов на орбитали. Орбитали указываются в порядке заполнения. Запись 1s2 означает, что на 1 уровне s-подуровне расположено 2 электрона.

Например, электронная формула углерода выглядит так: 1s22s22p2.

Для краткости записи, вместо энергетических орбиталей, полностью заполненных электронами, иногда используют символ ближайшего благородного газа (элемента VIIIА группы), имеющего соответствующую  электронную конфигурацию.

Например, электронную формулу азота можно записать так: 1s22s22p3 или так: 2s22p3.

1s2 =

1s22s22p6 =

1s22s22p63s23p6 = и так далее.

admin
Оцените автора
( Пока оценок нет )
Добавить комментарий