Строение и характеристики атомов

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Строение вещества

Все вещества состоят из молекул - частиц, каждая из которых определяет все физико-химические свойства вещества.

Молекулы простых веществ (К, Не, О₂, Н₂, Мо,...) состоят из одного или нескольких атомов одного химического элемента.

Молекулы сложных веществ (UO₂, Н₃ВО₃, В₄С,...) состоят из атомов нескольких химических элементов.

Молекулы и составляющие их атомы различаются прежде всего по их массе. Для удобства сравнения массы различных молекул (атомов) принято измерять в относительных единицах, называемых атомными единицами массы (а.е.м.).

1 а.е.м. - это 1/12 часть массы изотопа атома углерода-12. В единицах системы СГС (которая чаще всего используется в нейтронно-физических расчетах) 1 а.е.м. эквивалентна 1.660567^.10^-24 г. Относитель­ная масса молекулы или атома, выраженная в а.е.м., называется молекулярной (или атомной соответственно) массой и обозначается символом А.

Пространственную плотность молекул (атомов) в различных веществах принято оценивать величиной молекулярной (атомной) концентрации, то есть числом молекул (атомов), содержащихся в единице объёма вещества.

Опираясь на следствие закона Авогадро о том, что число молекул в 1 моле вещества - величина постоянная (называемая числом Авогадро N_А = 6.0221^.10²³ моль^-1), молекулярная концентрация любого вещества легко рассчитывается по известным величинам плотности g и молекулярной массы А вещества по формуле:

N = . (1.1)

В единицах системы СГС размерность вычисленной по формуле (1.1) величины молекулярной концентрации – см ^-3, то есть молекул в 1 см³.

 

Таким образом, получается:

а) для простых веществ, каждая молекула которых содержит только один атом, молекулярная концентрация вещества по величине совпадает с атомной концентрацией и вычисляется по формуле (1.1);

б) для сложных веществ, каждая молекула которых содержит m сортов атомов различных химических элементов, молекулярная концентрация также находится по формуле (1.1), в которой молекулярная масса

(1.2)

находимая по правилам химии, представляет собой сумму масс всех компонентов молекулы вещества; (здесь n_i - число атомов каждого компонента в молекуле вещества, а A_i - атомная масса i-го компонента);

Пример. Кристаллическая борная кислота H₃BO₃ плотностью g = 1.28 г/см³ будет иметь относительную молекулярную массу:

А = 3 А _н+1 А _в+3 А _о = 3^. 1 + 1 ^.10.81 + 3 ^.16 = 61.81 а.е.м.,

а, следовательно, её молекулярная концентрация будет равна:

см^-3.

в) атомные концентрации компонентов сложных веществ находятся по общей формуле:

(1. 3)

где n_i - число атомов i-го компонента в каждой молекуле вещества, а N - молекулярная концентрация вещества.

Пример.

В упомянутом выше примере борной кислоты:

- атомная концентрация водорода N_н= 3N = 3 ^.1.2471^.10²² = 3.7413 ^.10²² см ^-3, т.к. в каждой молекуле борной кислоты содержится по три атома водорода;

- атомная концентрация бора N_в = N = 1.2471 ^.10²² см ^-3, т.к. в молекуле борной кислоты содержится только один атом бора;

- атомная концентрация кислорода N_o= 3N = 3 ^. 1.2471 ^.10²² = 3.7413 ^.10²² см ^-3, т.к. в каждой молекуле борной кислоты по три атома кислорода.

 

г) атомные концентрации в простых многоатомных веществах, очевидно, можно рассматривать как частность случая (в) и находить по общей формуле (1.3).

Пример. Молекула йода (J₂) содержит по два атома химического элемента йода, поэтому атомная концентрация йода в кристаллическом йоде плотностью g = 4.9 г/см³ будет равна

Строение и характеристики атомов

Атомы различных химических элементов отличаются прежде всего по их массе, и атомная масса в какой-то мере определяет периодичность повторения химических свойств различных атомов. Однако массовое число A не является однозначной характеристикой всех свойств атомов любых веществ.

Действительной характеристикой, определяющей физико-химическую индивидуальность атома вещества, являетсяего атомный номер (z) в открытой Д.И.Менделеевым Периодической Системе элементов. Называя атомный номер элемента z, мы фактически называем сам этот элемент, об атомах которого идёт речь.

Например, если z = 6, нам ясно, что речь идет об углероде (С), а если z = 92, это равносильно тому, что элемент назван ураном (U), и т.д.

Поэтому атомный номер элемента z - характеристика, равноценная принятому химическому символу атомов вещества.

Массовое число A и атомный номер z элемента - пара характеристик, полностью определяющих физико-химическую индивидуальность атомов любого вещества.

Атомная теория раскрывает физический смысл этих характеристик

в следующих основных положениях:

а) Все атомы состоят из положительно заряженного ядра и обращающихся вокруг него отрицательно заряженных частиц - электронов.

б) Электрический заряд электрона q_e = - 1.6022 ^.10^-19 Кл - наименьший электрический заряд, обнаруженный экспериментально, и это дало повод назвать его элементарным зарядом, а заряды других частиц и структур на микроуровне - измерять в элементарных зарядах.

в) Атомный номер элемента z - есть не что иное, как суммарное количество электронов в атоме.

г) Поскольку устойчивый атом любого химического элемента электронейтрален, отрицательный заряд электронных оболочек в атоме нейтрализуется равным по величине положительным зарядом ядра. Поэтому другое представление об атомном номере состоит в том, что атомный номер химического элемента - это положительный заряд ядра его атома, выраженный в величинах элементарных электрических зарядов (то есть в зарядах электрона).

д) Масса покоя одиночного электрона m_е = 9.1095^.10^-28 г, что соответствует приблизительно 5.486^.10^-4 а.е.м. Разница в порядках величин масс всего атома (от единицы до сотен а.е.м.) и электронов в нём (от 5.486^.10^-4 до величин порядка 10^-2 а.е.м.), которая, как видно из приведенных цифр, составляет четыре порядка, приводит к выводу о том, что практически вся масса атома (более 99.9%) сосредоточена в его ядре.

е) Размеры атомов, найденные в экспериментах, выполненных по различным методикам, имеют порядок 10^-8 см, а размеры ядер атомов - величины порядка 10^-13 см. Эти цифры свидетельствуют о том, что ядро занимает ничтожную часть объёма атома.

Если под объёмом ядра понимать сферу, в пределах которой эффективно действуют ядерные силы, радиус этой сферы можно оценить по полуэмпирической формуле:

R_я» 1.21^.10^-13 , см,. (1.4)

где А, а.е.м. - атомная масса элемента.