Страница 36 - гдз по химии 7 класс учебник Еремин, Дроздов

Как доказать, что атом — не элементарная частица, а в атоме есть ядро?

Как доказать, что атом — не элементарная частица

Долгое время, со времён древнегреческого философа Демокрита, атом считался мельчайшей неделимой частицей вещества. Само слово "атом" (ἄτομος) в переводе с греческого означает "неделимый". Однако в конце XIX — начале XX века был сделан ряд фундаментальных открытий, которые опровергли эту идею и доказали, что атом имеет сложную структуру и состоит из более мелких, субатомных частиц.

Основными доказательствами этого являются следующие явления:

1. Открытие электрона. В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон в своих экспериментах с катодными лучами обнаружил, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Он измерил отношение их заряда к массе и выяснил, что эти частицы (названные позже электронами) значительно легче любого известного атома. Поскольку электроны можно было получить из атомов различных химических элементов, это стало прямым свидетельством того, что атомы делимы и содержат в себе электроны как составную часть.

2. Явление радиоактивности. Открытое Анри Беккерелем в 1896 году и детально исследованное Пьером и Марией Кюри, это явление заключается в самопроизвольном распаде атомов некоторых элементов. В процессе распада испускаются различные частицы: альфа-частицы (позже идентифицированные как ядра атомов гелия), бета-частицы (электроны) и гамма-кванты (фотоны высокой энергии). Сам факт того, что атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого, испуская при этом другие частицы, неопровержимо доказывает их сложный состав и делимость.

3. Фотоэлектрический эффект. Это явление, при котором под действием света (электромагнитных волн) из вещества выбиваются электроны. Оно также подтверждает, что электроны входят в состав атомов и могут быть из них удалены при сообщении им достаточной энергии.

Ответ: Доказательством того, что атом не является элементарной (т.е. неделимой) частицей, служат экспериментальные факты, демонстрирующие возможность извлечения из него составных частей. Ключевыми являются открытие электрона, который оказался составной частью всех атомов, и явление радиоактивности, при котором атомы самопроизвольно распадаются и превращаются в другие атомы.

Как доказать, что в атоме есть ядро

После открытия электрона стало ясно, что атом содержит как отрицательные заряды (электроны), так и положительные, компенсирующие их (ведь атом в целом электронейтрален). Модель Дж. Дж. Томсона, известная как "пудинг с изюмом", предполагала, что положительный заряд равномерно распределён по всему объёму атома, а электроны вкраплены в него. Эту модель опроверг знаменитый эксперимент по рассеянию альфа-частиц, проведённый в 1909 году Гансом Гейгером и Эрнестом Марсденом под руководством Эрнеста Резерфорда.

Схема эксперимента:

- Узкий пучок положительно заряженных альфа-частиц, испускаемых радиоактивным источником, направлялся на мишень — очень тонкую золотую фольгу.

- За фольгой располагался подвижный экран, покрытый люминесцентным веществом (сульфидом цинка). Каждая вспышка (сцинтилляция) на экране отмечала место попадания альфа-частицы, что позволяло определить угол её отклонения от первоначального направления.

Результаты эксперимента:

- Подавляющее большинство альфа-частиц (более 99,9%) проходило сквозь фольгу, не изменяя своего направления или отклоняясь на очень малые углы.

- Однако небольшое число частиц отклонялось на значительные углы.

- И, что было самым поразительным, примерно одна из 8000 альфа-частиц отбрасывалась назад, в сторону источника (рассеяние на угол более 90°).

Выводы Резерфорда:

Резерфорд пришёл к выводу, что такие результаты несовместимы с моделью Томсона. Если бы положительный заряд был "размазан" по всему атому, его электрическое поле было бы слишком слабым, чтобы так сильно отклонить тяжёлую и быструю альфа-частицу. Отбрасывание частицы назад могло произойти только в результате её взаимодействия с чем-то очень массивным и компактным.

Это привело к созданию планетарной модели атома, согласно которой:

- Практически вся масса (более 99,9%) и весь положительный заряд атома сконцентрированы в очень малом объёме в его центре. Эту центральную часть Резерфорд назвал ядром.

- Размер ядра ($ \sim 10^{-15} $ м) ничтожно мал по сравнению с размером всего атома ($ \sim 10^{-10} $ м). Следовательно, большая часть атома — это пустое пространство.

- Сильное отклонение и отражение альфа-частиц объясняется мощным кулоновским отталкиванием между положительно заряженным ядром и положительно заряженной альфа-частицей, когда она пролетает очень близко к ядру.

Ответ: Существование ядра в атоме было доказано в опытах Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Факт рассеяния малого числа частиц на большие углы показал, что внутри атома есть очень маленькая, массивная и положительно заряженная структура — ядро, в которой сконцентрирована почти вся масса атома.

1. Если представить атом размером с Луну (диаметр 3500 км), то каким будет радиус его ядра?

Дано:

Найти:

Решение:

Для решения задачи воспользуемся методом пропорций. Масштаб увеличения одинаков как для атома, так и для его ядра. Это означает, что отношение радиуса ядра к радиусу атома в реальности будет таким же, как и в нашей модели.

Сначала найдем радиус модельного атома (Луны), зная его диаметр:

$R_{атом\_м} = \frac{D_{атом\_м}}{2} = \frac{3500 \text{ км}}{2} = 1750 \text{ км} = 1.75 \times 10^6 \text{ м}$

Составим пропорцию, связывающую реальные размеры с модельными:

$\frac{R_{ядро\_м}}{R_{атом\_м}} = \frac{r_{ядро}}{r_{атом}}$

Из этой пропорции можно выразить искомый радиус модельного ядра $R_{ядро\_м}$:

$R_{ядро\_м} = R_{атом\_м} \times \frac{r_{ядро}}{r_{атом}}$

Подставим числовые значения. Отношение реальных радиусов ядра и атома составляет:

$\frac{r_{ядро}}{r_{атом}} \approx \frac{10^{-15} \text{ м}}{10^{-10} \text{ м}} = 10^{-5}$

Теперь рассчитаем радиус модельного ядра:

$R_{ядро\_м} = (1.75 \times 10^6 \text{ м}) \times 10^{-5} = 1.75 \times 10^{6-5} \text{ м} = 1.75 \times 10^1 \text{ м} = 17.5 \text{ м}$

Таким образом, если бы атом был увеличен до размеров Луны, его ядро имело бы радиус примерно 17.5 метров.

Ответ: радиус ядра будет равен $17.5 \text{ м}$.

2. Если бы ядро атома имело радиус, равный толщине волоса (0,08 мм), то каким был бы размер атома?

Дано:

Радиус ядра в модели, $r'_{ядра} = 0,08 \text{ мм}$

Для решения задачи нам также понадобятся справочные данные о типичных размерах атома и ядра:

Радиус атома, $R_{атома} \approx 10^{-10} \text{ м}$

Радиус ядра, $r_{ядра} \approx 10^{-15} \text{ м}$

Перевод в систему СИ:

$r'_{ядра} = 0,08 \text{ мм} = 0,08 \cdot 10^{-3} \text{ м} = 8 \cdot 10^{-5} \text{ м}$

Найти:

Размер атома в модели, $D'_{атома}$

Решение:

Чтобы найти размер атома в увеличенной модели, сначала определим, во сколько раз реальный атом больше своего ядра. Это соотношение сохранится и для нашей модели.

Найдем коэффициент пропорциональности $k$ как отношение радиуса атома к радиусу ядра:

$k = \frac{R_{атома}}{r_{ядра}} = \frac{10^{-10} \text{ м}}{10^{-15} \text{ м}} = 10^5$

Таким образом, радиус атома в 100 000 раз больше радиуса его ядра.

Теперь, используя этот коэффициент, мы можем вычислить радиус атома в модели ($R'_{атома}$), в которой радиус ядра ($r'_{ядра}$) равен 0,08 мм:

$R'_{атома} = r'_{ядра} \cdot k = 0,08 \text{ мм} \cdot 100000 = 8000 \text{ мм}$

Для лучшего понимания масштаба переведем полученный радиус в метры:

$8000 \text{ мм} = 8 \text{ м}$

Итак, радиус атома в нашей модели составил бы 8 метров.

В вопросе требуется найти "размер" атома. Для сферического объекта, каким мы представляем атом, его размер обычно характеризуется диаметром ($D$). Диаметр равен двум радиусам.

$D'_{атома} = 2 \cdot R'_{атома} = 2 \cdot 8 \text{ м} = 16 \text{ м}$

Ответ: если бы ядро атома имело радиус, равный толщине волоса, то размер (диаметр) атома составил бы 16 метров.

3. Чему равно массовое число самого лёгкого атома?

Решение

Массовое число, обозначаемое символом $A$, представляет собой общее число протонов и нейтронов в ядре атома. Так как масса атома сосредоточена в его ядре, самый лёгкий атом будет иметь наименьшее возможное количество протонов и нейтронов.

Самым лёгким химическим элементом является водород (H). Его атомный номер равен 1, что означает наличие в ядре одного протона.

У водорода существует несколько изотопов, которые отличаются количеством нейтронов в ядре. Самый лёгкий и самый распространённый изотоп водорода — это протий ($^{1}\text{H}$). В ядре протия содержится 1 протон и 0 нейтронов.

Массовое число рассчитывается по формуле:
$A = Z + N$
где $Z$ — число протонов, а $N$ — число нейтронов.

Для самого лёгкого атома, протия ($^{1}\text{H}$):
$A = 1 + 0 = 1$

Любой другой атом или изотоп будет иметь массовое число больше единицы. Например, следующий по массе изотоп водорода, дейтерий ($^{2}\text{H}$), имеет массовое число 2 (1 протон + 1 нейтрон). Следующий химический элемент, гелий (He), в своей самой лёгкой стабильной форме ($^{3}\text{He}$) имеет массовое число 3 (2 протона + 1 нейтрон).

Таким образом, наименьшее возможное массовое число равно 1, и оно принадлежит самому лёгкому атому — протию.

Ответ: 1.

4. Назовите атом, строение которого изображено на рисунке 23, определите его массовое число, заряд ядра и число нейтронов.

Поскольку изображение "рисунок 23" не предоставлено, в решении будет использоваться гипотетическая модель атома, которая часто встречается в подобных задачах. Предположим, что на рисунке изображена модель атома, в ядре которого находится 11 частиц с положительным зарядом (протонов) и 12 частиц без заряда (нейтронов), а вокруг ядра по орбитам движутся 11 частиц с отрицательным зарядом (электронов).

Дано:

Число протонов (из рисунка), $Z = 11$

Число нейтронов (из рисунка), $N = 12$

Число электронов (из рисунка), $N_e = 11$

Найти:

Название атома - ?

Массовое число, $A$ - ?

Заряд ядра, $q_{ядра}$ - ?

Число нейтронов, $N$ - ?

Решение:

Название атома

Порядковый номер химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева определяется числом протонов в ядре атома. В нашем случае число протонов $Z = 11$. Элемент с порядковым номером 11 — это натрий (Na). Поскольку число протонов (11) равно числу электронов (11), атом является электрически нейтральным.

Ответ: Атом натрия (Na).

Массовое число

Массовое число $A$ равно сумме числа протонов $Z$ и числа нейтронов $N$ в ядре атома.

$A = Z + N$

$A = 11 + 12 = 23$

Ответ: Массовое число равно 23.

Заряд ядра

Заряд ядра определяется общим зарядом протонов. Каждый протон имеет заряд $+1$ (в единицах элементарного заряда). Следовательно, заряд ядра равен числу протонов.

$q_{ядра} = +Z = +11$

Ответ: Заряд ядра равен +11.

Число нейтронов

Число нейтронов $N$ — это количество нейтральных частиц в ядре. Согласно нашему предположению о содержании рисунка, в ядре находится 12 нейтронов. Это число также можно найти, если известны массовое число $A$ и число протонов $Z$.

$N = A - Z = 23 - 11 = 12$

Ответ: Число нейтронов равно 12.

5. Назовите элементы, атомы которых содержат:

а) $2\bar{e}$;

б) $10\bar{e}$;

в) $18\bar{e}$;

г) $36\bar{e}$;

д) $54\bar{e}$;

е) $86\bar{e}$.

а) 2ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 2$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

В электронейтральном атоме число электронов равно числу протонов в ядре. Число протонов определяет порядковый номер (атомный номер, $Z$) химического элемента в Периодической системе Д.И. Менделеева. Таким образом, зная число электронов в атоме, мы можем найти его порядковый номер: $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 2$.

Элемент с порядковым номером 2 в Периодической системе — это гелий (He).

Ответ: гелий (He).

б) 10ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 10$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

Атом является электронейтральной частицей, поэтому количество электронов в нем равно количеству протонов в ядре. Порядковый номер элемента ($Z$) в Периодической системе как раз равен числу протонов. Следовательно, $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 10$.

Элемент с порядковым номером 10 в Периодической системе — это неон (Ne).

Ответ: неон (Ne).

в) 18ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 18$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

Порядковый номер ($Z$) химического элемента в Периодической системе соответствует числу протонов в ядре атома. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Поэтому, чтобы найти элемент, нужно определить его порядковый номер, который равен заданному числу электронов: $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 18$.

Элемент с порядковым номером 18 в Периодической системе — это аргон (Ar).

Ответ: аргон (Ar).

г) 36ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 36$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

В нейтральном атоме заряд ядра (число протонов) равен общему заряду электронов (числу электронов). Порядковый номер элемента ($Z$) определяется числом протонов. Таким образом, порядковый номер элемента равен числу электронов в его атоме: $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 36$.

Элемент с порядковым номером 36 в Периодической системе — это криптон (Kr).

Ответ: криптон (Kr).

д) 54ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 54$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

Число электронов в нейтральном атоме равно его порядковому номеру ($Z$) в Периодической системе элементов, так как оно равно числу протонов в ядре. Формула для определения: $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 54$.

Элемент с порядковым номером 54 в Периодической системе — это ксенон (Xe).

Ответ: ксенон (Xe).

е) 86ē

Дано:

Количество электронов в атоме $N(e^-) = 86$.

Найти:

Химический элемент.

Решение:

Поскольку атом электронейтрален, число электронов в нем совпадает с числом протонов в ядре. Число протонов является атомным номером ($Z$) элемента, который определяет его положение в Периодической системе. Следовательно, $Z = N(e^-)$.

Для данного случая: $Z = 86$.

Элемент с порядковым номером 86 в Периодической системе — это радон (Rn).

Ответ: радон (Rn).