<<
>>

ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНЫ АТОМЫ

  Опыты в лабораториях показали, что основными элементами атомов являются три вида фундаментальных частиц: электроны, -Нейтроны и протоны. Электрон, который несет отрицательный электрический заряд, — легчайшая из известных в природе частиц.
Необходимо было бы иметь 10,97 -1026 электронов (т. е. 10,97 с 26 нулями), чтобы уравновесить 1 г. Выраженная в граммах масса электрона равна 9,11 -10— 28. Нейтрон и протон имеют примерно одинаковую массу, в 1836 раз превышающую массу электрона, т. е. 1,66-10 24 г. Пылинка диаметром около 0,01 мм весила бы в миллиард миллионов раз больше протона. Электрический заряд, связанный с атомными частицами, удобно выражать через заряд электрона, который принимается за —1. В электрической системе единиц этот заряд равен 4,803•10-10 электростатических единиц СГС; в практической системе единиц он равен 1,602-10~19 кулон. Протон несет положительный электрический заряд, численно равный заряду электрона, или + 1, а нейтрон, как показывает его название, электрически нейтрален.

В каждом атоме протоны и нейтроны, часто почти в равных количествах, тесно связаны друг с другом, образуя плотное компактное ядро, вокруг которого движется один или несколько внешних электронов. Наибольшее количество вещества атома занимает относительно большой объем пространства, так как расстояние электронов от ядра в тысячи раз больше диаметра самого ядра. Цементом, который связывает эту внешнюю часть атома в единую структуру с ядром, служит сила электрического притяжения между положительным и отрицательным зарядами. Именно эта сила притяжения сохраняет атомы электрически нейтральными. Лишите атом его электронов, и ядро будет стремиться захватить другие электроны до тех пор, пока не будет восстановлено электрическое равновесие,

Число протонов и нейтронов, которые образуют любое ядро, например ядро атома железа, можно определить по двум наблюдаемым величинам, а именно по массе атома и числу внешних электронов.

Поскольку протон и нейтрон весят намного больше электрона, общее число их в ядре определяет массу атома. Для нейтрального атома число протонов должно быть достаточно, чтобы уравнять число внешних электронов и тем самым обеспечить электрическую нейтральность.

Самый легкий из всех элементов — водород, ядро атома которого состоит из единственного протона с одним внешним электроном; в атоме водорода нет нейтронов. Атом водорода весит 1,673-10—24 г: это чуть больше массы одного протона. Атом гелия весит примерно в 4 раза больше, чем атом водорода, и имеет два внешних электрона; следовательно, его компактное ядро (часто называемое ос-частицей) должно состоять из двух протонов и двух нейтронов. Атомы кислорода в 16 раз массивнее атомов водорода и имеют восемь электронов; их ядро состоит из восьми протонов и восьми нейтронов.

Спектр и химические свойства атома по существу зависят только от количества его внешних электронов. Различие между химическими свойствами калия, у которого 19 внешних электронов, и кальция, у которого их 20, хорошо известно. Аналогично спектры, излучаемые кальцием и калием, совершенно различны. Возмущения внешних электронов атома в результате столкновений с другими атомами или потоком электронов в электрической дуге порождают спектральные линии, которые мы наблюдаем в спектре пламени или в дуге. Чтобы потревожить ядро, нужны гораздо более сильные средства (см. гл. 8).

В настоящее время известно свыше 100 отдельных элементов (табл. 1); 88 из них существуют на Земле в виде устойчивых элементов, радиоактивных элементов, таких, как торий и уран, или продуктов распада таких элементов. Остальные элементы неустойчивы, но их ядра были созданы в лаборатории (см. гл. 8). Каждому атому дан номер, соответствующий числу его электронов; так, атомный номер водорода 1, гелия 2, кислорода 8, урана 92. Массы атомов обычно выражают в относительной шкале, в основе которой лежит принятый для кислорода атомный вес 16. Так как кислород содержит 16 протонов и нейтронов, масса каждой из этих частиц должна быть единичной.

Но если атомы состоят из целых чисел 1, 2, 3, ... фундаментальных частиц, почему же тогда атомные веса, приведенные в табл. 1, не целые числа? Даже а-частпца весит немного меньше (примерно на 0,7%), чем четыре протона. Причина (см. гл. 8) в том, что, когда в звездах из водорода образуется гелий, часть массы исчезает, превращаясь в энергию. Но этот дефицит

Массы (который часто выражают в энергетических единицах) Составляет относительно небольшую долю всей массы. Чем же Тогда можно объяснить, что атомный вес хлора равен 35,46, а

мента почти идентичны.

Некоторые ядра изотопов и даже ядра уникальных элементов можно создать путем бомбардировки частицами высокой энергии, подобными тем, которые встречаются в природе в космических лучах или создаются при помощи ускорителей (см. гл. 8). Часто эти ядра неустойчивы и распадаются, превращаясь в другие ядра, за время от долей секунды до многих лет. Один Из самых известных изотопов такого рода — С14 (который содержит шесть протонов и восемь нейтронов). Он распадается до N14 с испусканием из ядра электрона. На Земле С14 создается благодаря бомбардировке космическими лучами. Поскольку изотоп С14 участвует в химических реакциях так же, как и обыкновенный углерод, он входит в состав таких живых организмов, как деревья и кости, продолжая постоянно распадаться и после того, как организм умирает. Либби показал, как можно использовать сведения о содержании С14 в остатках органических соединений для датировки изделий древних цивилизаций и первобытного человека.

Чтобы объяснить, каким образом атомы испускают свет, обратимся к модели атома, которая служила физикам в течение многих лет для наглядного представления о поведении электронов внутри атома.

Согласно этому представлению, к которому мы теперь переходим, электроны обращаются вокруг ядра подобно тому, как

»ЛО МСН I Символ Атомный номер Атомный вес
Эйнштейн ий Es 99 **
Фермий Fm 100 **
Менделевий Mg 101 **
Нобелий No 102 **
Лоурепсий Lw 103 **

П родолжение

* Ниобий раньше называла колумбпем СЬ.


** Элементы, не обнаруженные ни Земле в np ipoic, но созданные искусственно в лабораториях.

*** Неустойчивые элементы, встречающиеся и приводе.

планеты обращаются вокруг Солнца. Но в то время как планеты не могут уйти от Солнца вследствие его гравитационного притяжения, электроны удерживаются в атоме силой электрического притяжения между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженным электроном. Такая модель хорошо воспроизводит свойства атома водорода, но, чтобы объяснить хотя бы качественно поведение более сложных атомов, эта модель требует изменений.

Когда мы говорим о поведении атомов, то прежде всего имеем в виду тот факт, что каждый атом излучает и поглощает свет определенных длин волн. Рассмотрим, например, атом водорода. Спектр этого элемента в разрядной трубке и в звездах характеризуется строгой закономерностью. Самая сильная линия— это красная линия 6563 А (часто ее обозначают как На), за ней следуют голубая линия Н|3 4861 А, фиолетовая линия Ну 4340 А и ряд других линий HS, Не, ..., постелено сближающихся друг с другом, пока, наконец, они не сольются близ 3650 А. Бальмер в 1885 г. показал, что длины волн X этой серии водородных линий можно точно предсказать при помощи простой формулы

где R — постоянная. Длины волн последующих членов серии, начиная с красной линии, вычисляют по этой формуле путем подстановки и = 3, 4, 5, 6, ... . Свыше 30 членов этой серии, известной под названием серии Бальмера, наблюдались в некоторых спектрах ряда звезд, внешней части атмосферы Солнца — хромосферы (рис. 23) и многих газовых туманностей (см. рис. 12).

В далеком ультрафиолете Лайман обнаружил другую серию линий водорода, начинающуюся у 1216 А и заканчивающуюся

Р п с.

23. Серия Бальмера водорода в солнечной хромосфере.

у 912 А; длины волн этой серии можно воспроизвести при помощи формулы


где R — та же постоянная, а я = 2, 3, 4, 5, ... . Пашен описал серию инфракрасных линий, которую можно представить формулой


где п — 4, 5, 6, ..., а Бреккет открыл далекую инфракрасную серию, которая следует формуле


где п == 5, 6, 7 ... . Другие две серии еще дальше в инфракрасную сторону наблюдались Пфундом и Хамфрисом соответственно.

<< | >>
Источник: А. Аллер. АТОМЫ, ЗВЕЗДЫ И ТУМАННОСТИ. 1976

Еще по теме ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНЫ АТОМЫ:

  1. Комментарий 1.1.
  2. ПИСЬМО ПЕРВОЕ ЭМПИРИЯ И ИДЕАЛИЗМ
  3. ПИСЬМО ТРЕТЬЕ ГРЕЧЕСКАЯ ФИЛОСОФИЯ
  4. ПИСЬМО СЕДЬМОЕ ВЭКОН И ЕГО ШКОЛА В АНГЛИИ
  5. ПИСЬМО ВОСЬМОЕ РЕАЛИЗМ
  6. МУДРОСТЬ ДЕМИУРГА
  7. АЛЕКСАНДР АФРОДИСИЙСКИЙ О СМЕШЕНИИ И РОСТЕ (Пері крааєшд каї av^rjcrecos )
  8. ПЕРВАЯ КНИГА Глава 8
  9. ДЕТСКАЯ ФИЛОСОФИЯ, ИЛИ НРАВОУЧИТЕЛЬНЫЕ РАЗГОВОРЫ МЕЖДУ ОДНОЮ ГОСПОЖОЮ И ЕЕ ДЕТЬМИ3
  10. РАСШИРЕНИЕ СОЗНАНИЯ
  11. КОСМОС ИСЛАМА
  12. ЛЕКЦИЯ ПЕРВАЯ
  13. Философские и социальные идеи Д. И. Менделеева
  14. Конфигурация американского общественного мнения в отношении иранской проблемы в 2000-е годы
  15. § 2. Проблема мироустройства
  16. ИЗ ЧЕГО СДЕЛАНЫ АТОМЫ
  17. Строение атома
  18. Лекция 4. РАЗЛИЧНЫЕ МОДЕЛИ РЕФЛЕКСИИ.РЕФЛЕКСИЯ КАК ТВОРЧЕСТВО
  19. Лекция 2 РОЛЬ ЛИЧНОСТИ И СОЗНАНИЯ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТИ. НАУКА КАК ФОРМА МЫСЛЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ