Атомное ядро и электроны¶

Атомное ядро и электроны — два основных структурных компонента атома, заряженные частицы с противоположными знаками заряда. Ядро содержит практически всю массу атома и положительный электрический заряд, электроны весят незначительно и несут отрицательный заряд; электростатическое взаимодействие между ними удерживает электроны в атоме. Совокупность ядра и окружающих его электронов образует электронно-нейтральный атом.

¶Состав и свойства ядра

Ядро атома состоит из нуклонов — протонов и нейтронов. Протон имеет заряд +e (1,602·10⁻¹⁹ Кл) и массу 1,6726·10⁻²⁷ кг, нейтрон — нулевой заряд и чуть большую массу 1,6749·10⁻²⁷ кг. Число протонов в ядре (атомный номер Z) определяет химический элемент, а суммарное число нуклонов (массовое число A) — изотоп. Электрический заряд ядра равен +Ze.

Размеры ядер составляют порядка 10⁻¹⁵ м (1 ферми), что на пять порядков меньше размера атома (≈10⁻¹⁰ м). Плотность вещества ядра огромна: около 2,3·10¹⁷ кг/м³. Масса ядра меньше суммы масс свободных нуклонов на 0,1–1 %; «недостающая» масса превращается в энергию связи ядра по формуле Эйнштейна E = Δm·c².

Соединяющая нуклоны сила — ядерное взаимодействие — короткодействующее (радиус ≈2–3 ферми), в тысячи раз сильнее кулоновского отталкивания протонов. Именно оно удерживает положительно заряженные протоны вместе.

¶Электронная оболочка

Электрон — элементарная частица с массой 9,109·10⁻³¹ кг (в 1836 раз легче протона) и зарядом −e. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов Z.

Электроны в атоме занимают дискретные энергетические уровни, описываемые квантовыми числами. Согласно принципу Паули, на каждом уровне помещается ограниченное число электронов (максимум 2 на орбиталь). Распределение электронов по уровням называется электронной конфигурацией и определяет химические свойства элемента.

Классическая модель атома (планетарная, Резерфорд, 1911) описывала электроны как частицы, вращающиеся по орбитам вокруг ядра, подобно планетам вокруг Солнца. Однако квантовая механика показала, что электрон не имеет определённой траектории: его положение описывается волновой функцией и вероятностью обнаружения в данной точке. Современная картина — электронное облако с областями повышенной вероятности нахождения электрона.

¶Взаимодействие ядра и электронов

Основная связь в атоме — кулоновское притяжение электронов к ядру. Энергия электрона на уровне n в водородоподобном атоме определяется формулой:

Eₙ = −13,6·Z²/n² эВ

где Z — заряд ядра, n — главное квантовое число. Отрицательный знак означает, что электрон связан с ядром; для его выбивания из атома (ионизации) требуется энергия, равная по модулю Eₙ.

При возбуждении атома электрон переходит на более высокий уровень, при возвращении на нижний испускается фотон с энергией, равной разности энергий уровней. Именно этот механизм объясняет дискретные спектры излучения элементов.

¶Классификация атомов по числу электронов

¶Роль в природе

Ядро и электроны определяют структуру вещества. Химические реакции — это перестройки электронных оболочек, при которых ядра остаются неизменными. Ядерные реакции (распад, слияние) затрагивают само ядро и сопровождаются выделением энергии на 6–7 порядков большей, чем химические процессы.

Различие в массах ядра и электрона проявляется в ядерном магнитном резонансе, в атомных часах (переходы электронов в атомах цезия), в спектроскопии, лазерной физике и полупроводниковой электронике.

¶Интересные факты

• Масса электрона в 1836 раз меньше массы протона, поэтому почти вся масса вещества приходится на ядра.
• Энергия связи ядра водорода (дейтерия) — 2,22 МэВ, урана-235 — около 1786 МэВ.
• Электрон в атоме водорода движется со скоростью ≈2,2·10⁶ м/с, что составляет около 0,7 % скорости света.

Источники:

• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория.
• Савельев И. В. Курс общей физики. Том 3. Квантовая механика, атомная физика.
• Франк-Каменецкий Д. А. Лекции по физике атомного ядра.
• Борн М. Атомная физика.