§ 30. ДОСЛІДЖУЄМО БУДОВУ АТОМА

• Назад до змісту довідника

Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

1. Прочитай наведені твердження. Поясни, які з них правильні. Яке твердження допомагає зрозуміти різницю між фізичними та хімічними властивостями атома?

Правильними є твердження: 1, 3, 5, 6, 7, 8, 10.

• 1. Атом дійсно утворений позитивно зарядженим ядром і негативно зарядженою електронною оболонкою.
• 3. Протони несуть позитивний електричний заряд.
• 5. До складу ядра входять нуклони: протони та нейтрони.
• 6. Електрони перебувають на дозволених енергетичних рівнях (стаціонарних орбіталях).
• 7. Заряд ядра і число протонів точно дорівнюють порядковому номеру хімічного елемента.
• 8. Нейтральний атом має однакову кількість протонів і електронів, тому його сумарний заряд дорівнює нулю.
• 10. Майже вся маса атома (понад 99,95 %) зосереджена в ядрі.

Неправильними є твердження: 2, 4, 9.

• 2. Електрони розташовані не в ядрі, а рухаються навколо нього в електронній оболонці.
• 4. Нейтрони є нейтральними частинками і не мають електричного заряду.
• 9. Атом не є неподільним, він складається з дрібніших частинок і піддається розщепленню.

Зрозуміти різницю між фізичними та хімічними властивостями допомагають твердження 7, 8 і 10. Хімічні властивості речовини залежать від кількості електронів та структури електронної оболонки, а основні фізичні властивості (наприклад, маса атома) зосереджені в ядрі й визначаються сумарною кількістю протонів і нейтронів.

2. Які помилки допущено на малюнку 30.1?

На малюнку переплутано знаки електричних зарядів частинок:

1. Протон помилково позначено знаком «мінус» ($-$), хоча він позитивно заряджений ($+$).
2. Електрон помилково позначено знаком «плюс» ($+$), хоча він негативно заряджений ($-$).

ДУМАЙ

1. Опиши перші моделі атома.

Першу наукову модель атома запропонував Джозеф Джон Томсон у 1904 році після відкриття електрона. За його гіпотезою («модель пудингу з родзинками»), атом являв собою суцільну позитивно заряджену сферу, у яку були вкраплені негативні електрони, що нейтралізували загальний заряд. Ця модель виявилася помилковою, оскільки не могла пояснити результати дослідів із розсіювання важких заряджених частинок.

2. Яка мета стояла перед Е. Резерфордом і його співробітниками? Опиши будову установки, за допомогою якої було проведено дослідження вивчення будови атома. Які результати досліджень взаємодії $\alpha$-частинок з атомами Ауруму?

Мета вчених полягала в експериментальній перевірці моделі Томсона та з’ясуванні реального розподілу маси й електричного заряду всередині атома.

Експериментальна установка містила такі компоненти:

• Свинцевий контейнер із джерелом $\alpha$-частинок, що летіли зі швидкістю близько $10^7\text{ м/с}$.
• Тонка фольга із золота (Ауруму) товщиною в кілька шарів атомів.
• Рухомий екран, покритий сірчистим цинком, який світився від ударів частинок.
• Мікроскоп для підрахунку світлових спалахів під різними кутами розсіяння.

Результати дослідів:

• Переважна більшість $\alpha$-частинок пролітала крізь фольгу прямолінійно без помітного відхилення.
• Невелика частина частинок зазнавала відхилення на кути понад $30^\circ$.
• Приблизно одна з десяти тисяч частинок різко відскакувала назад під кутами, близькими до $180^\circ$. Це довело існування маленького, щільного та важкого позитивного ядра в центрі атома.

3. У чому полягали протиріччя між запропонованою планетарною моделлю атома Е. Резерфорда та умовами стійкого існування атома? Як Н. Бор розв’язав це протиріччя?

Згідно з класичною електродинамікою Максвелла, електрон під час прискореного руху по коловій орбіті має безперервно випромінювати електромагнітні хвилі. Через це він повинен швидко втрачати енергію і приблизно за $10^{-8}\text{ с}$ впасти на ядро, що суперечить стабільному існуванню речовини.

Нільс Бор розв’язав це протиріччя, сформулювавши два квантові постулати:

• Перший постулат: в атомі існують особливі стаціонарні стани, у яких електрон рухається по відповідних орбіталях і не випромінює енергію.
• Другий постулат: випромінювання або поглинання кванта світла відбувається лише під час стрибкоподібного переходу електрона з одного стаціонарного стану в інший, а енергія цього кванта дорівнює різниці енергій даних рівнів: $h\nu = E_2 - E_1$.

4. Які експериментальні факти свідчать про складну будову ядра атома?

Про складну структуру ядра свідчать такі відкриття:

• Явище природної радіоактивності солей Урану (Анрі Беккерель, 1896 рік), коли ядра самовільно викидають мікрочастинки.
• Розщеплення ядер атомів Нітрогену альфа-частинками та відкриття протона (Ернест Резерфорд, 1919 рік).
• Виявлення нейтрального випромінювання під час бомбардування Берилію та експериментальне відкриття нейтрона (Джеймс Чедвік, 1932 рік).

5. У чому сутність протонно-нейтронної моделі ядра атома? Які сили діють між нуклонами у ядрі? Опиши їх особливості. До якого типу взаємодії належать ядерні сили?

Згідно з протонно-нейтронною моделлю Дмитра Іваненка та Вернера Гейзенберга, ядра атомів складаються з протонів і нейтронів, які мають спільну назву — нуклони.

Між нуклонами діють специфічні ядерні сили притягання, що належать до сильної взаємодії.

Властивості ядерних сил:

• Короткодіючі: проявляються лише на відстанях порядку $10^{-15}\text{ м}$ і практично зникають уже на відстані $1{,}4 \cdot 10^{-15}\text{ м}$.
• Найпотужніші в природі: у сотні разів перевершують кулонівське відштовхування однойменно заряджених протонів.
• Мають властивість насичення: кожен нуклон зв’язується лише з кількома сусідніми частинками.
• Зарядово незалежні: однаково притягують пари протон–протон, нейтрон–нейтрон і протон–нейтрон.
• Нецентральні: їх напрямок не збігається з прямою, що проходить крізь геометричні центри частинок.
• Обмінні: взаємодія здійснюється шляхом безперервного квантового обміну частинками.

6. Як у ядерній фізиці позначають хімічний елемент? Охарактеризуй за цими параметрами Літій.

Хімічний елемент позначають символом:

${}^{A}_{Z}\text{X}$

де:

• $\text{X}$ — хімічний символ елемента;
• $Z$ — протонне (зарядне) число, що вказує на кількість протонів і порядковий номер;
• $A$ — нуклонне (масове) число, що дорівнює загальній кількості нуклонів ($A = Z + N$).

Для найпоширенішого нукліда Літію ${}^{7}_{3}\text{Li}$:

• Порядковий номер і кількість протонів: $Z = 3$.
• Кількість електронів у нейтральному атомі: $N_e = 3$.
• Масове число: $A = 7$.
• Кількість нейтронів у ядрі: $N = A - Z = 7 - 3 = 4$.

ДІЙ

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Порядковий номер Калію в Періодичній таблиці хімічних елементів 19. Масове число 39. Визнач для атома Калію число електронів, число протонів, число нейтронів.

Дано:

• $Z = 19$
• $A = 39$

Знайти:

• $N_e - ?$
• $N_p - ?$
• $N - ?$

Розв’язання:
$N_p = Z$
Оскільки атом електрично нейтральний:
$N_e = Z$
Кількість нейтронів у ядрі:
$N = A - Z$
Обчислення:
$N_p = 19$
$N_e = 19$
$N = 39 - 19 = 20$

Відповідь: $e = 19$; $p = 19$; $n = 20$.

2. Визнач число електронів в атомах Магнію й Алюмінію.

Дано:

• $Z_{\text{Mg}} = 12$
• $Z_{\text{Al}} = 13$

Знайти:

• $N_{e(\text{Mg})} - ?$
• $N_{e(\text{Al})} - ?$

Розв’язання:
У нейтральному атомі кількість електронів на оболонці дорівнює протонному числу $Z$:
$N_e = Z$
Обчислення:
$N_{e(\text{Mg})} = 12$
$N_{e(\text{Al})} = 13$

Відповідь: 12; 13.

3. У ядрі атома деякого хімічного елемента міститься 56 протонів. Назви цей елемент.

Дано:

• $Z = 56$

Знайти:

• Назва елемента $- ?$

Розв’язання:
Кількість протонів у ядрі однозначно визначає заряд ядра і порядковий номер хімічного елемента в Періодичній таблиці:
$Z = 56$
Номеру 56 відповідає хімічний елемент Барій ($\text{Ba}$).

Відповідь: Барій.

4. Визнач число протонів в атомах Фосфору і Хлору.

Дано:

• Елементи: Фосфор ($\text{P}$), Хлор ($\text{Cl}$)

Знайти:

• $N_{p(\text{P})} - ?$
• $N_{p(\text{Cl})} - ?$

Розв’язання:
Число протонів відповідає порядковому номеру елемента в Періодичній таблиці:
$N_p = Z$
Для Фосфору порядковий номер $Z = 15$:
$N_{p(\text{P})} = 15$
Для Хлору порядковий номер $Z = 17$:
$N_{p(\text{Cl})} = 17$

Відповідь: 15; 17.

5. Назви хімічні елементи, в атомному ядрі яких міститься така кількість нуклонів: а) 7p, 7n; б) 18p, 22n; в) 3p, 42n; г) 84p, 126n.

Дано:

• а) $Z = 7$
• б) $Z = 18$
• в) $Z = 3$ (у тексті завдання друкарська помилка в кількості нейтронів: замість $42n$ має бути $4n$)
• г) $Z = 84$

Знайти:

• Назви хімічних елементів $- ?$

Розв’язання:
Хімічна природа елемента залежить виключно від кількості протонів $Z$:

• а) $Z = 7$ відповідає елементу Нітроген ($\text{N}$);
• б) $Z = 18$ відповідає елементу Аргон ($\text{Ar}$);
• в) $Z = 3$ відповідає елементу Літій ($\text{Li}$);
• г) $Z = 84$ відповідає елементу Полоній ($\text{Po}$).

Відповідь: Нітроген; Аргон; Літій; Полоній.

6. Яка частинка має більшу масу: протон чи електрон? У скільки разів?

Дано:

• $m_p \approx 1{,}673 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$
• $m_e \approx 9{,}109 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$

Знайти:

• Порівняти маси частинок, $\dfrac{m_p}{m_e} - ?$

Розв’язання:
$\dfrac{m_p}{m_e} = \dfrac{1{,}673 \cdot 10^{-27}\text{ кг}}{9{,}109 \cdot 10^{-31}\text{ кг}} \approx 1836$

Відповідь: Протон у 1836 разів.

7. Ядро атома певного елемента має електричний заряд $4{,}8 \cdot 10^{-18}\text{ Кл}$. Назви цей елемент.

Дано:

• $q = 4{,}8 \cdot 10^{-18}\text{ Кл}$
• $e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$

Знайти:

• Назва елемента $- ?$

Розв’язання:
Заряд ядра визначається сумарним зарядом протонів:
$q = Z \cdot e$
Звідси порядковий номер елемента:
$Z = \dfrac{q}{e}$
$Z = \dfrac{4{,}8 \cdot 10^{-18}\text{ Кл}}{1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}} = 30$
Порядковому номеру 30 відповідає Цинк ($\text{Zn}$).

Відповідь: Цинк.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Виконай віртуальну роботу в е-додатку 30.4.

У віртуальній лабораторії змодельовано дослід Ернеста Резерфорда із розсіювання $\alpha$-частинок на атомах золотої фольги.

Хід дослідження та висновки:

1. Запуск джерела $\alpha$-частинок демонструє, що майже всі вони вільно пролітають крізь кристалічну ґратку фольги, не відчуваючи опору. Це підтверджує, що більша частина об’єму атома є порожнім простором.
2. Незначна частка частинок, пролітаючи поруч із масивними ядрами Ауруму, відхиляється під дією кулонівських сил відштовхування.
3. Частинки, що рухаються прямо в напрямку центру ядра, відскакують назад під великими кутами (понад $90^\circ$). Це доводить, що позитивний заряд і майже вся маса атома зосереджені в компактній центральній ділянці — ядрі, радіус якого в десятки тисяч разів менший за радіус атома.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Скористайся матеріалом параграфа і додатковими джерелами та склади хронологічну таблицю відкриттів в атомній і ядерній фізиці.