1кг массы вещества соответствует 5,61х1022 МэВ или 0,603х1024 а.е.м., а 1 а.е.м., в свою очередь, соответствует 1,66х1027 кг массы вещества.
В качестве единицы измерения энергии элементарных частиц в атомной физике применяют электрон-вольт (эВ). Один электрон-вольт (1 эВ) это такое количество энергии, которое приобретает электрон при перемещении в постоянном электрическом поле с разностью потенциалов 1 В. При этом, электрическое поле совершает работу перемещения электрона, в результате чего энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию электрона.
Ввиду того, что электрон-вольт представляет очень малую величину, энергию элементарных частиц измеряют в мегаэлектрон-вольтах (МэВ) (1 МэВ=106 эВ). Мегаэлектрон-вольт малая величина энергии: 1 МэВ=1,6х1013 Дж.
Электрон стабильная элементарная частица, легчайшая из электрически заряженных материальных элементарных частиц. Электрон является также наименьшей частицей отрицательного электричества. Величина заряда электрона называется элементарным зарядом.
Важнейшими характеристиками элементарных частиц являются масса покоя (называемая также собственной массой) и электрический заряд. Масса покоя электрона mе=9,1095х1031 кг, отрицательный электрический заряд его (элементарный электрический заряд) равен 1,6х1019 Кл (кулон): 1 Кл количество электричества, протекающего за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Массы других частиц обычно выражают или в массах электрона, или в так называемых атомных единицах массы (а.е.м.).
За физическую атомную единицу массы принята 1/12 часть массы изотопа углерода 12С (1 а.е.м. = 1,66х1027 кг, т.е. в 1824 раза больше массы покоя электрона (1 а.е.м.=1824 mе)).
1.1.2. Строение вещества
В настоящее время известно около 1,5х106 типов молекул. Однако атомов к началу 1964 г. было идентифицировано 101, из них в природе встречаются 88, а 13 получаются искусственно. Все известные молекулы построены примерно из 60 типов атомов.
Множество атомов одного типа называется химическим элементом. Таким образом, эти элементы являются теми «кирпичами», из которых сложены в многообразных комбинациях все тела окружающего нас материального мира неорганического, органического, растительного и животного.
Атом является мельчайшей первичной частицей химического элемента. Он представляет собой сложную электродинамическую систему, состоящую из двух частей: небольшой очень плотной положительно заряженной центральной части, именуемой ядром, и легкой внешней (орбитальной) электронной оболочки, образованной отрицательно заряженными элементарными частицами электронами. Атомные ядра представляют собой сложные образования, состоящие из элементарных материальных частиц протонов с положительным электрическим зарядом и нейтронов, которые электрического заряда не имеют. Протоны и нейтроны носят общее название нуклоны.
Ядро атома водорода (наиболее легкого из всех элементов) состоит из одного протона и не содержит нейтронов.
Протон стабильная элементарная частица, обладающая положительным зарядом (ядро атома водорода). Масса протона в 1837 раз больше массы электрона (т. е. составляет 1837 mе или 1,00758 а.е.м.). Заряд протона равен по абсолютной величине заряду электрона, но противоположен ему по знаку, т. е. равен одной положительной элементарной единице заряда. Протон обозначается 11р, где индексы обозначают массу и заряд протона.
Нейтрон это нейтральная частица. Масса нейтрона равна 1839 mе или 1,00893 а.е.м., то есть примерно равна массе протона. В свободном состоянии нейтрон неустойчивая частица и претерпевает превращения. Нейтрон обозначается 10n, где индекс 0 заряд нейтрона, индекс 1 масса нейтрона.
Таким образом, почти вся масса атома сосредоточивается в его ядре; масса электронной оболочки составляет сотые доли процента массы атома (см. табл. 1.2).
Таблица 1.2
Значения масс покоя и электрических зарядов элементарных частиц атома
При нормальном (невозбужденном) состоянии атома число электронов его оболочки равно числу протонов ядра, следовательно, атом электрически нейтрален. Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядрах атомов (кроме ядра атома водорода) равняется приблизительно единице для легких ядер и постепенно возрастает до 1,6 с увеличением массы ядра.
В современной физике принято считать, что атомы имеют строение, напоминающее (геометрически) планетную систему Солнца. В центре электродинамической системы атома находится ядро, вокруг которого движутся по своим орбитам электроны. Геометрическая модель атома представлена на рис. 1.1.
Число положительных зарядов атомного ядра (число протонов) называется атомным номером Z элемента.
Число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом А элемента A = N + Z,
где N число нейтронов в ядре (N = А Z).
Заряд ядра обусловлен наличием в нем протонов. Заряд любого ядра равен Q = Ze,
где е заряд протона, Кл.
Рис. 1.1. Планетарная модель атома
По величине заряда ядра все химические элементы располагаются в определенной последовательности в соответствии с периодической таблицей элементов Менделеева. Порядковый номер элемента в этой таблице равен заряду его ядра.
Вид атомов с данными числами протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом и обозначают символом элемента с указанием атомного номера (внизу слева) и массового числа (вверху слева), например, 42He гелий с зарядом, равным двум зарядам электрона, и массовым числом, равным 4 (см. рис. 1.1).
Массовое число равно ближайшему целому числу, выражающему атомный вес элемента. Например, записи, характеризующие изотопы урана: 23892U, 23592U и 23392U, означают, что все эти изотопы имеют один атомный номер 92, числа же нейтронов их атомных ядер различны и соответственно равны: 23892=146; 23592=143 и 23392=141.
Количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре (см. рис.1.1). Электроны в атоме сгруппированы по электронным оболочкам (орбитам), номера которых возрастают по мере удаления от ядра: n=1,2,3,4 Суммарный отрицательный заряд всех орбитальных электронов равен суммарному положительному заряду протонов ядра. Атом в нормальном состоянии электрически нейтральная система.
Энергия связи, благодаря которой электроны удерживаются в атоме, зависит от расстояния электрона до центра атома. Каждая орбита соответствует вполне определенному значению этой энергии.
Электроны, расположенные вблизи ядра, находятся под действием большей силы притяжения, чем электроны, находящиеся дальше от него. Когда электрон, оставаясь внутри атома, переходит с одной орбиты на другую, то выделяется или поглощается энергия. Электрон, переходя с ближней обриты на более удаленную от ядра, должен преодолеть силу притяжения ядра, т.е. приобрести (поглотить) дополнительную энергию. При переходе электрона с дальней орбиты на ближайшую к ядру происходит выделение энергии, которая может быть излучена атомом.
Атом, в котором электроны обращаются на более удаленной от ядра орбите, чем им дозволенной, называется возбужденным. Возбужденный атом неустойчив и время его жизни в этом состоянии: х 108 с.
Из периодической системы элементов видно, что атомы различных элементов имеют различное количество слоев (орбит) электронов. Оно зависит от атомного номера, который определяет положение (период) элементов в периодической системе. Наибольшее число слоев электронной оболочки равно семи.
Исходя из того, что атом представляет собой электродинамическую систему планетарной структуры, под диаметром атома понимают диаметр воображаемой сферы, заключающей в себе атом, внутрь которой не может проникнуть другой атом из-за действия сил отталкивания, возникающих между электронными оболочками (см. рис. 1.1). Диаметр атома около 108 см. Размеры атомных ядер очень малы; плотность же ядерного вещества чрезвычайно большая.
Диаметр ядра атомов различных элементов лежит в пределах 1013 1012 см, т. е. в 104 105 раз меньше диаметра атома. Радиус атомного ядра может быть определен по формуле R = 1,5 x 1013xA1/3, где А число нуклонов в ядре (массовое число).
Радиус атома приблизительно равен (2,55,5) х1011м, а радиус атомного ядра (1,510) х1016м. Так, радиус ядра атома 23892U составляет приблизительно 0,93х1015м, а его объем 3,4х1040м3.
Исходя из того, что масса каждого нуклона равна приблизительно 1 а.е.м. или 1,66х1027кг, масса ядра урана равна приблизительно 395х1027кг. Плотность ядерного вещества урана равна 116 000 кг/м3. Плотность ядерного вещества других элементов примерно такая же.