Як визначити кількість протонів і нейтронів

Атом будь-якого хімічного елемента складається з атомного ядра і електронів, що звертаються навколо нього. А з чого складається атомне ядро? У 1932 році було встановлено, що атомне ядро складається з протонів і нейтронів.

Вам знадобиться

Інструкція

1. Протон являє собою позитивно заряджену частинку з масою, що перевищує в 1836 разів масу електрону. Електричний заряд протона збігається за модулем з зарядом електрона, а значить, заряд протона дорівнює 1,6 * 10 ^ (-19) Кулон. Ядра різних атомів містять різне число протонів. Наприклад, в ядрі атома водню тільки один протон, а в ядрі атома золота – сімдесят дев ‘ять. Кількість протонів в ядрі збігається з порядковим номером даного елемента в таблиці Д.І. Менделєєва. Тому для того, щоб визначити число протонів в ядрі хімічного елемента, потрібно взяти таблицю Менделєєва, знайти в ній потрібний елемент. Вказане вгорі ціле число є порядковим номером елемента – це число протонів у ядрі. Прімер1. Нехай потрібно визначити число протонів в ядрі атома полонію. Знайдіть у таблиці Менделєєва хімічний елемент полоній, він розташований під номером 84, значить в його ядрі знаходиться 84 протони.

2. Цікаво, що кількість протонів в ядрі збігається з числом електронів, що рухаються навколо ядра. Тобто число електронів в атомі елемента визначається так само, як і число протонів – порядковим номером елемента. Приклад 2. Якщо порядковий номер полонію – 84, то в ньому 84 протони (в ядрі) і стільки ж – 84 електронів.

3. Нейтрон являє собою незаряджену частинку з масою, яка більше маси електрона в 1839 разів. Крім порядкового номера, в періодичній таблиці хімічних елементів для кожної речовини вказано ще одне число, яке, якщо його округлити, показує загальну кількість частинок (протонів і нейтронів) в атомному ядрі. Це число називається масовим числом. Для визначення кількості нейтронів у ядрі потрібно відняти з масового числа кількість протонів. Приклад 3. Кількість протонів в атомі полонію – 84. Його масове число дорівнює 210, отже, для визначення числа нейтронів знайдіть різницю масового числа і порядкового номера: 210 – 84 = 126.

§ 6. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне й нуклонне числа

ПЕРШІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця XIX ст. панувала думка про те, що атом не можна поділити на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так. Радіоактивністю називають самочинний розпад атомних ядер з випромінюванням радіоактивних частинок й утворенням нових ядер.

Зазначені відкриття спонукали вчених до створення моделей будови атома.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 15) розробив Джозеф Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив електрони (е) у складі атома.

Мал. 15. Модель будови атома Томсона (червона куля заряджена позитивно)

За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об’ємі кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому електронейтральний. Маса атома теж рівномірно розподілена в цьому об’ємі.

Модель Томсона проіснувала в науці недовго. Через кілька років її спростував англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі результатів власних експериментальних досліджень. Пропускаючи прямолінійно потік позитивно заряджених частинок з масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, не відхиляючись від прямолінійної траєкторії, деякі частинки відхиляються під певними невеликими кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 від загальної кількості частинок змінюють напрямок руху на майже протилежний (мал. 16).

Мал. 16. Відбивання позитивно зарядженої частинки від ядра

Поведінку однієї з десяти тисяч частинок у цьому досліді вчений пояснив таким чином. Оскільки частинки мали позитивний заряд, то відштовхувати (відкидати назад) їх могли інші частинки — також позитивно заряджені. Однойменні заряди, як вам відомо, відштовхуються. Такі результати досліду поставили під сумнів модель Томсона, бо доводили, що більшість атомного простору не заряджена позитивно, а позитивний заряд сконцентрований в одному місці й займає дуже малий об’єм. На цій підставі зроблено висновок, що атоми складаються з позитивно зарядженої серцевини — ядра, та негативно заряджених частинок — електронів, розміщених за його межами. У 1911 р. Ернест Резерфорд запропонував нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.

ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За планетарною моделлю весь позитивний заряд і майже всю масу атома (99,4 %) зосереджено в атомному ядрі. Розмір ядра надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атома. Навколо ядра коловими або еліптичними орбітами, як планети навколо Сонця (звідси походить назва моделі), безупинно рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома.

Заряд електрона — найменший з усіх відомих зарядів (докладніше про це ви дізнаєтесь на уроках фізики), його абсолютним значенням користуються вкрай рідко. Здебільшого використовують умовний заряд -1. Позитивний заряд ядра дорівнює сумарному негативному заряду електронів, тому атом є електронейтральним (заряд атома дорівнює нулю) (мал. 17).

Мал. 17. Модель атома Резерфорда

Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.

У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони (р) — позитивно заряджені частинки, що містяться в ядрі й зумовлюють його позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, хоча в порівнянні з масою електрона маса протона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +1.

Сьогодні вчені, студенти й учні знають, що, крім протонів, до складу ядра входять нейтрони. Теоретичне припущення про наявність нейтронів у ядрі висловив у 1932 р. фізик Дмитро Дмитрович Іваненко. У 1933 р. він виголосив доповідь про протонно-нейтронну структуру ядра атома, у якій спирався на те, що в ядрі є частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів й електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їхня назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка було підтверджено дослідами англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974). У 1935 р. Д. Чедвіка було удостоєно за це Нобелівської премії.

Сторінка ерудита

Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) — видатний фізик-теоретик, який зробив фундаментальний внесок у розвиток багатьох розділів ядерної фізики, теорії поля та теорії гравітації. Блискучий викладач кількох закладів вищої освіти СРСР, зокрема й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав за те, що першим (у віці 27 років!) на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтронну модель атомного ядра.

Народився вчений 29 липня 1904 р. в Полтаві в сім’ї редактора та вчительки. У 1920 р. закінчив гімназію в Полтаві, де його жартома називали «професором». Першу вищу освіту здобув на фізико-математичному факультеті Полтавського педагогічного інституту, у 1923-1927 рр. навчався в Ленінграді. У 30-ті роки — науковий співробітник Фізико-математичного інституту АН СРСР, завідувач теоретичного відділу Українського фізико-технічного інституту в Харкові, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту, професор Харківського університету. У 1940 р. захистив докторську дисертацію на тему «Основи теорії ядерних сил» і продовжував займатись теоретичною фізикою, а також очолив кафедру теоретичної фізики в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. З 1943 р. й до останніх років свого життя — професор фізичного факультету Московського державного університету (МДУ) імені М. В. Ломоносова.

Наукові заслуги вченого високо оцінили нобелевські лауреати: Поль Дірак, Хідекі Юкава, Нільс Бор, Ілля Пригожин, Семюел Тінг, які після спілкування з ним залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Дмитра Дмитровича Іваненка на фізичному факультеті МДУ імені М. В. Ломоносова.

Попрацюйте групами

Сестра Дмитра Дмитровича Іваненка Оксана Іваненко (1906-1997) — відома українська письменниця.

Пригадайте, які з її творів — оповідання, повісті або літературні казки — вам відомі (вивчали у школі). У вільну хвилину поцікавтеся більше її творчістю, поділіться враженнями від прочитаного з однокласниками.

Вивчення будови атома в 30-х роках XX ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони й протони містяться в атомному ядрі й визначають масу атома.

Так сформувалися сучасні погляди на склад і будову атома. Узагальнимо їх.

СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА СКЛАД І БУДОВУ АТОМА. Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. До складу ядра входять: позитивно заряджені протони, незаряджені (нейтральні) нейтрони. Негативно заряджені електрони формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати 1 ₊₁p, нейтрони — 1 ₀n, електрони — 0 _-1e (мал. 18). Сумарний заряд протонів дорівнює сумарному заряду електронів.

Мал. 18. Сучасна модель і схема будови атома

Усі складові атома мають надзвичайно малу масу, до того ж маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона, тоді як маса електрона в 1836 разів менша від маси протона. Оскільки в науці масу протона й нейтрона прийнято за 1, то маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складники вміщено в таблиці 5.

Складники атома

Частинка та її розміщення в атомі

Відносна маса (а.о.м.)

Абсолютна маса, кг

Заряд (в одиницях елементарного заряду)

Як визначити кількість протонів і електронів в іонах

Кількість протонів і електронів в атомі або молекулі визначає його заряд і те, чи є він нейтральним видом чи іоном. Ця розроблена хімічна задача демонструє, як визначити кількість протонів і електронів в іоні. Для атомарних іонів ключові моменти, про які слід пам’ятати:

• Нейтральний атом має однакову кількість протонів і електронів. Це число є атомним номером елемента.
• Позитивно заряджений іон або катіон має більше протонів, ніж електронів. Протонне число – це атомний номер елемента, тоді як електронне число – це атомний номер мінус заряд.
• Негативно заряджений іон або аніон має більше електронів, ніж протонів. Знову ж таки, кількість протонів є атомним номером. Кількість електронів – це атомний номер, доданий до заряду.

Проблема протонів і електронів

Визначте кількість протонів і електронів в іоні Sc 3+ .

Рішення

Використовуйте періодичну таблицю , щоб знайти атомний номер Sc ( скандію ). Атомний номер 21, що означає, що скандій має 21 протон.

У той час як нейтральний атом скандію мав би таку ж кількість електронів, як і протони, показано, що іон має заряд +3. Це означає, що він має на 3 електрони менше, ніж нейтральний атом або 21 – 3 = 18 електронів.

Відповідь

Іон Sc 3+ містить 21 протон і 18 електронів.

Протони та електрони в багатоатомних іонах

Коли ви працюєте з багатоатомними іонами (іонами, що складаються з груп атомів), число електронів більше, ніж сума атомних номерів атомів для аніона, і менше, ніж це значення для катіона.