Атомная масса и изотопы

Количество нейтронов в ядре влияет на массу атома, но не на его химические свойства. Таким образом, ядро ​​с шестью протонами и шестью нейтронами будет иметь те же химические свойства, что и ядро ​​с шестью протонами и восемью нейтронами, хотя их массы будут другими. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами друг друга. Все химические элементы имеют много изотопов.

Обычно для характеристики различных изотопов дается сумма числа протонов и нейтронов в ядре — величина, называемая атомным массовым числом. В приведенном выше примере первый атом будет называться углеродом-12 или 12С (потому что он имеет шесть протонов и шесть нейтронов), а второй — углеродом-14 или 14С.

Масса атомов измеряется в единицах атомной массы, которая определяется как 1 /₁₂ массы атома углерода-12, или 1,660538921 × 10-24 грамма. Масса атома состоит из массы ядра плюс массы электронов, поэтому единица массы атома не совсем совпадает с массой протона или нейтрона.

Электрон

Заряд, масса и вращение

Ученые с конца 19 века знали, что электрон имеет отрицательный электрический заряд.Величина этого заряда была впервые измерена американским физиком Робертом Милликеном между 1909 и 1910 годами. В эксперименте Милликена с каплями масла он подвешивал крошечные капли масла в камере, содержащей масляный туман. Измерив скорость падения капель масла, он смог определить их вес. Капли масла, имевшие электрический заряд (приобретенный, например, трением при движении по воздуху), можно было затем замедлить или остановить, приложив к ним электрическую силу. Сравнивая приложенную электрическую силу с изменениями в движении, Милликен смог определить электрический заряд каждой капли. После того, как он измерил множество капель, он обнаружил, что заряды на всех из них были простыми кратными одному числу. Этой основной единицей заряда был заряд электрона, а разные заряды капель масла соответствовали тем, которые имели на себе 2, 3, 4,… дополнительных электрона. Заряд электрона в настоящее время принят равным 1,602176565 × 10-19 Кл. За эту работу Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике в 1923 году.

Заряд протона по величине равен заряду электрона, но противоположен по знаку, т. е. протон имеет положительный заряд. Поскольку противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, между электронами и протонами существует сила притяжения. Эта сила удерживает электроны на орбите вокруг ядра, что-то вроде того, как гравитация удерживает Землю на орбите вокруг Солнца.

Электрон имеет массу около 9,109382911 × 10-28 грамм. Масса протона или нейтрона примерно в 1836 раз больше. Это объясняет, почему масса атома в первую очередь определяется массой протонов и нейтронов в ядре.

У электрона есть и другие внутренние свойства. Один из них называется спин. Электрон можно представить как что-то вроде Земли, вращающейся вокруг оси вращения. На самом деле этим свойством обладает большинство элементарных частиц. Однако, в отличие от Земли, они существуют в субатомном мире и подчиняются законам квантовой механики.Следовательно, эти частицы не могут вращаться произвольно, а только с определенной скоростью. Эти ставки могут быть 1 /₂ , 1, 3 /₂ , 2,… раз на основную единицу вращения. Подобно протонам и нейтронам, электроны имеют спин 1 /₂ .

Частицы с полуцелым спином называются фермионами в честь американского итальянского физика Энрико Ферми, исследовавшего их свойства в первой половине 20 века. Фермионы обладают одним важным свойством, которое поможет объяснить как расположение электронов на своих орбитах, так и расположение протонов и нейтронов внутри ядра. Они подчиняются принципу запрета Паули (названному в честь австрийского физика Вольфганга Паули), который гласит, что никакие два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии — например, два электрона в атоме гелия должны иметь разные направления спина, если они занимают одно и то же состояние. орбита.

Поскольку вращающийся электрон можно рассматривать как движущийся электрический заряд, электроны можно рассматривать как крошечные электромагниты. Это означает, что, как и любой другой магнит, электрон будет реагировать на присутствие магнитного поля скручиванием. (Представьте себе стрелку компаса, указывающую на север под влиянием магнитного поля Земли.) Этот факт обычно выражается в утверждении, что электроны обладают магнитным моментом. В физике магнитный момент связывает силу магнитного поля с крутящим моментом, испытываемым магнитным объектом. Из-за собственного спина электроны имеют магнитный момент, равный -9,28 × 10 -24 джоулей на тесла.