Строение и характеристики атомов
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ
Строение вещества
Все вещества состоят измолекул - 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 сложныхвеществ (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 NА = 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 ni - число атомов каждого компонента в молекуле вещества, а Ai - атомная масса i-го компонента);
Пример. Кристаллическая борная кислота H3BO3 плотностью g = 1.28 г/см3 будет иметь относительную молекулярную массу:
А = 3Ан+1Ав+3Ао = 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 ni - число атомов i-го компонента в каждой молекуле вещества, а N - молекулярная концентрация вещества.
Пример.
В упомянутом выше примере борной кислоты:
- атомная концентрация водорода Nн= 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 Nв = N = 1.2471 .1022 см -3, т.к. в молекуле борной кислоты содержится только один атом бора;
- атомная концентрация кислорода No= 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.
Действительнойхарактеристикой, 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 называемсам 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 qe = - 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 mе = 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:
Rя » 1.21.10-13 , см, . (1.4)
где А, а.е.м. - атомная масса элемента.