1. Основные понятия

1. Основные понятия

1.        Атом

Вся материя состоит из маленьких строительных блоков, называемые атомами. Эти атомы не могут быть разделены никакими химическими методами, но они способны связываться друг с другом, образуя вещество. Отдельный атомы очень малы (примерно ) 10-10 метров в диаметре) и их невозможно наблюдать непосредственно с любыми измерительными инструментами.  Не смотря на свои малые размеры, атомы сами по себе состоят из ряда субатомных частиц, известных как протоны, электроны and нейтроны. Поскольку массы этих частиц очень малы, специальная единица, называемая атомной единицей массы, (обозначается символом а.е.м. или аем, в англоязычной литературе – u, либо amu) используется для описания масс.  Атомная единица массы определяется как одна двенадцатая массы атома углерода-12 и равна 1,66 x 10-24 граммов.

1.1         Протоны, электроны и нейтроны

Протоны представляют собой положительно заряженные частицы с массой, примерно равной 1аем.  Они обнаружены в центре (или ядре) атома, и имеют заряд, равный +1,6 x 10-19 Кулон.  Эта величина заряда известна под названием элементарный заряд и обозначается символом e.

Электроны имеют равный по величине, но противоположный по знаку заряд (-1,6 x 10-19 Кулон) и обнаружены на орбитах вокруг ядра. В общем случае, число электронов в атоме равно числу протонов, так что атом не имеет заряда. Электрон обладает намного меньшей массой, чем протон (примерно 5 x 10-4 аем или 1/1840 массы протона или 1/1820 от аем). Эта масса столь мала, что для целей описания изменений в структуре атомов в ходе радиоактивного распада она может быть принята за ноль.

Нейтроны можно рассматривать как комбинацию протона и электрона, и поэтому нейтрон имеет массу, примерно равную 1 аем, но не имеет результирующего электрического заряда. Нейтроны обнаружены в составе ядра атома.

Табл. 1 суммирует сказанное выше о свойствах этих частиц.

Таблица 1

Свойства частиц, составляющих атом

Частица Место в атоме Масса(аем) Заряд(e)
Протон Ядро 1 +1
Электрон Орбита 1/1820 -1
Нейтрон Ядро 1 0

1.2         Модель атома по Бору

Хотя точная структура атома неизвестна Although the exact structure of an atom is not known, для описания структуры и свойств атома используется простая модель, известная под названием «Модель атома по Бору или боровская модель атома (Названная в честь физика Нильса Бора).  Согласно этой модели структура атома аналогична солнечной системе с тяжелым центром или ядром (солнце) и с более легкими частицами (планетами), движущимися по орбитам вокруг ядра. В атомах более тяжелые протоны и нейтроны образуют положительно заряженное ядро. Более легкие отрицательно заряженные электроны притягиваются к ядру электростатическими силами и движутся по орбитам вокруг центра.

Эти электроны могут вращаться вокруг ядра только по специфическим орбитам, называемым оболочками, и существует предельное число электронов, которые могут находиться на каждой оболочке. Эти оболочки называются K, L, M и N -оболочками и они могут содержать 2, 8, 18 и 32 электрона соответственно. Заметим, что электроны начинают заполнять N-оболочку перед тем, как будет заполнена M-оболочка (например, калий и кальций – см. Приложение А). Это происходит потому, что существуют подоболочки и имеет место перекрытие энергетических уровней. Электроны могут изменить свою орбиту и перемещаться в различные оболочки только тогда, когда атому передается, либо из него высвобождается энергия.

Электроны могут изменить свою орбиту и перемещаться в различные оболочки только тогда, когда атому передается, либо из него высвобождается энергия.

Вещество состоящее из атомов одного типа, называется элементом. Элемент определяется числом протонов в каждом атоме. Каждому элементу присвоено свое имя и символ, как, например, гелий (He) и углерод (C).  На рис. 1 проиллюстрированы электронные оболочки цинка (Zn), элемента, содержащего 30 электронов. Имейте в виду, что эта диаграмма простая, но диаграммы электронных орбит для более тяжелых элементов могут оказаться весьма сложными.

В приложении А показано, как электроны заполняют оболочки для 20 наиболее легких элементов. На основе этой информации постройте простую диаграмму, иллюстрирующую электронные оболочки натрия.

Следует нарисовать диаграмму, аналогичную показанной на рис. 1, но с двумя электронами на K-оболочке, 8 электронами на L-оболочке и 1 электроном на M-оболочке.  Теперь продолжим.

Химические свойства элемента определяются числом протонов (и, соответственно, числом электронов), которое он содержит.  Нейтроны не имеют электрического заряда и поэтому не влияют на химические характеристики атома. Однако, различное число нейтронов изменяет общую массу атома и, дополнительно, меняют стабильность ядра. Эти свойства обсуждаются далее в Модуле 1.3 «Ионизирующее излучение и радиоактивный распад», так как они имеют значение для определения, будет ли атом излучать.

1.3         Важные атомные понятия

Атом может быть описан путем указания числа частиц, из которых он состоит. Используя следующие определения, можно однозначно определить структуру любого атома.

1.3.1   Атомное число, число нейтронов и массовое число

Как было объяснено выше, каждому элементу присвоено свое имя и символ.  Алфавитный список элементов и их обозначений приведен в Приложении B.

Обратитесь к Приложению B и найдите обозначения элементов «водород», «литий», «кислород», и калий.

Вы должны установить, что водород обозначают символом H, литий – символом Li, кислород – символом O и калий – символом K.  Теперь продолжим.

Атомный номер (символ Z) определяется как число протонов в ядре и имеет отдельное значение для каждого элемента. Например, Z для водорода равно 1, для гелия Z = 2 и для углерода Z = 6.  В Приложении C приведены атомные номера для 20 самых легких элементов.

Теперь из Приложения C найдите (Z) для водорода, лития, кислорода и калия.

Вы должны установить, что Z для водорода равен 1, Z для лития равен 3, Z для кислорода равен 8 и Z для калия равен 19.  Теперь продолжим.

Число нейтронов в ядре обозначается символом N. Хотя число нейтронов для данного элемента может быть различным, наиболее часто встречающееся число нейтронов перечислено в Приложении C для двадцати самых легких элементов.

Обратитесь теперь к Приложению C и найдите числа нейтронов для водорода, лития, кислорода и калия.

Вы должны установить, что N для водорода равно 0, N для лития равно 4, N для кислорода равно 8 и N для калия равно 20.  Теперь продолжим.

Массовое число обозначается A и равна суммарному числу протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре атома  (масса электронов намного меньше и несущественна).  Соотношение между атомным массовым числом и числом протонов и числом нейтронов может быть представлено уравнением 1:

A = Z + N [1]

Например, для атома гелия с двумя протонами и двумя нейтронами в ядре массовое число равна 4 (A = 4), а для атома углерода с шестью протонами и шестью нейтронами атомное массовое число составляет 12 (A = 12).

Используя информацию, которую Вы уже имеете, вычислите массовые числа для водорода, лития, кислорода и калия..

Сверьте  Ваши ответы со значениями массовых чисел, перечисленными в Приложении C.  Вы должны найти, что для водорода A = 1, для лития A = 7, для кислорода A = 16 и для кали я  A = 39.  Теперь продолжим.

Хотя атомную массу иногда принимают за атомный вес, первый термин используется в радиационной защите.  Умножая атомное массовое число а атомную единицу массы (аем) можно найти приблизительную массу атома.

Например, атом гелия с атомной массой 4 будет иметь реальную массу примерно (4 x 1,66 x 10-24 г) или 6,64 x 10-24 г.

Используя полученные Вами знания, рассчитайте массу атома в единицах атомной массы для водорода, лития, кислорода и калия.

Вы должны установить, что атомная масса водорода равна 1,66 x 10-24 г, атомная масса лития приблизительно равна 1,16 x 10-23 г, атомная масса кислорода примерно равна 2.66 x 10-23 г, а атомная масса калия 6,48 x 10-23 г. Теперь продолжим.

Каждый атом имеет свою собственную характеристику, задаваемую атомным номером и массовым числом, что принято обозначать в следующей стандартной форме:

где A – массовое число, Z атомное число, а X обозначает символ элемента с Z протонами.

Используя эти сведения, теперь запишите наиболее часто встречающиеся атомы водорода, лития, кислорода и калия в стандартной форме.

Вам следует записать следующее: , , , и .

Существуют и другие способы однозначного описания нуклида включая имя элемента, или символа, предшествующего или следующего за атомным массовым числом.  Например,  может быть обозначен, как 12C, углерод 12, углерод-12, C12 или C-12).

1.3.2   Изотопы, радиоизотопы, нуклиды и радионуклиды

Элемент может иметь атомы с одинаковым числом протонов, но с различным числом нейтронов. Так, атом углерода с шестью нейтронами имеет массовое число 12, но атом углерода с восемью нейтронами имеет массовое число 14. Атомы отдельного элемента, имеющие различные количества нейтронов, называются изотопами.  Изотопы, испускающие излучение, называются радиоизотопами. Так как изотопы относятся к одному и тому же элементу, они химически идентичны, но имеют различную массу и имеют различную способность испускать излучение.

Все изотопы одного элемента имеют одинаковые химические свойства, но могут различаться по способности испускать излучение.

Рассмотрим в качестве примера изотопы водорода. Большинство атомов водорода, встречающихся в природе, имеют один протон и ни одного нейтрона.  Однако, существуют и.другие изотопы водорода с одними или двумя нейтронами.  Таким образом, атом водорода может иметь массовое число 1, 2 или 3.  Изотопы водорода с массовыми числами 2 и 3 имеют специальные названия, отличающие их от наиболее распространенного изотопа с массовым числом 1.  изотоп водорода с массовым числом 2 называется дейтерием (deuterium), или тяжелым водородом, и, как и изотоп водорода с массовым числом 1, стабилен.  Изотоп водорода с массовым числом 3 называется тритием (tritium), но, в отличие от других изотопов, радиоактивен (т.е. является радиоизотопом).  Эти три изотопа водорода показаны на рис. 2.

1 электрон                                          1 электрон                                         1  электрон

Протий Дейтерий Тритий

Рис. 2

Изотопы водорода

Описание атомной структуры этих трех изотопов сведено в табл. 2.

Таблица 2

Атомная структура изотопов водорода

Протий Дейтерий Тритий
Символ
Число протонов 1 1 1
Число электронов 1 1 1
Число нейтронов (N) 0 1 2
Атомное число (Z) 1 1 1
Массовое число (A) 1 2 3

Атомы с данным массовым числом и атомным номером объединяются под одним термином нуклид.  Однако, понятие «нуклид» может быть отнесено к любому элементу (и представляет собой более общий термин), тогда как изотопы следует относить к одному и тому же элементу. Специальный термин, радионуклид, используется для описания нуклида, спонтанно испускающего излучение. Они записываются и описываются точно таким же образом, что и нуклиды вообще.

Об атомной структуре нуклида можно сделать вывод на основании его символа и массового числа.  Например, 14C означает атом углерода с массовым числом 14.  Так как атомный номер углерода равен 6 (т.е. атомы углерода содержат 6 протонов в ядре), то можно вычислить, что 14C будет иметь (14 – 6) нейтронов.  Мы также знаем, что незаряженный атом будет иметь 6 электронов, т.е. такое же количество, как и число протонов.