Ответьте на вопросы, страница 218 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему число электронов в атоме равно числу протонов?

2. Почему гравитационные и электромагнитные силы не могут быть силами, удерживающими нуклоны в ядре?

3. Какая масса указана в таблице Менделеева?

1. Почему число электронов в атоме равно числу протонов?

Число электронов в атоме равно числу протонов, потому что атом в своем нормальном, неионизированном состоянии является электрически нейтральной частицей. Это означает, что его суммарный электрический заряд равен нулю.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Заряд ядра определяется количеством протонов, каждый из которых несет один элементарный положительный заряд $q_p = +e$. Заряд электронной оболочки определяется количеством электронов, каждый из которых несет один элементарный отрицательный заряд $q_e = -e$. Нейтроны, также входящие в состав ядра, не имеют заряда.

Для того чтобы суммарный заряд атома был равен нулю, суммарный положительный заряд всех протонов в ядре должен полностью компенсироваться суммарным отрицательным зарядом всех электронов. Если обозначить число протонов как $N_p$, а число электронов как $N_e$, то условие электронейтральности можно записать в виде уравнения:

$N_p \cdot (+e) + N_e \cdot (-e) = 0$

$N_p \cdot e - N_e \cdot e = 0$

$(N_p - N_e) \cdot e = 0$

Поскольку элементарный заряд $e$ не равен нулю ($e \approx 1.602 \times 10^{-19}$ Кл), для выполнения этого равенства необходимо, чтобы $N_p - N_e = 0$, откуда следует, что $N_p = N_e$.

Если атом теряет или приобретает электроны, это равенство нарушается, и атом превращается в заряженную частицу — ион.

Ответ: Равенство числа электронов и протонов обеспечивает электрическую нейтральность атома, так как положительный заряд протонов в ядре должен быть скомпенсирован отрицательным зарядом электронов.

2. Почему гравитационные и электромагнитные силы не могут быть силами, удерживающими нуклоны в ядре?

Нуклоны (протоны и нейтроны) удерживаются в ядре благодаря сильному ядерному взаимодействию, а не гравитационным или электромагнитным силам. Рассмотрим, почему последние две не подходят на эту роль.

Гравитационные силы: Гравитационное взаимодействие существует между всеми телами, обладающими массой. Нуклоны имеют массу, и между ними действуют гравитационные силы притяжения. Однако гравитационное взаимодействие является самым слабым из четырех фундаментальных взаимодействий. На расстояниях порядка размера атомного ядра (около $10^{-15}$ м) гравитационные силы между нуклонами оказываются примерно в $10^{36}$ раз слабее электромагнитных сил и абсолютно недостаточны, чтобы противостоять даже кулоновскому отталкиванию протонов, не говоря уже о том, чтобы обеспечить устойчивость ядра.

Электромагнитные силы: Электромагнитное взаимодействие происходит между заряженными частицами. В ядре протоны заряжены положительно, а нейтроны электрически нейтральны. Согласно закону Кулона, одноименно заряженные частицы отталкиваются. Таким образом, между протонами в ядре действуют мощные силы электростатического отталкивания, которые стремятся разрушить ядро, а не удержать его компоненты вместе. Между протоном и нейтроном, а также между двумя нейтронами, электромагнитное взаимодействие (в контексте удержания) отсутствует. Следовательно, электромагнитные силы не только не могут удерживать нуклоны, но, наоборот, являются главной дестабилизирующей силой в ядре.

Для удержания нуклонов в ядре существует третья, гораздо более мощная сила — сильное ядерное взаимодействие. Оно является притягивающим для всех нуклонов, действует на очень малых расстояниях (сопоставимых с размером ядра) и превосходит по величине силы электростатического отталкивания протонов.

Ответ: Гравитационные силы слишком слабы, чтобы удерживать нуклоны вместе, а электромагнитные силы между протонами являются силами отталкивания и стремятся разрушить ядро.

3. Какая масса указана в таблице Менделеева?

В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева для каждого элемента указывается его относительная атомная масса (также называемая атомным весом). Это значение, как правило, не является целым числом.

Относительная атомная масса представляет собой средневзвешенное значение масс всех природно-распространенных стабильных и долгоживущих изотопов данного химического элемента, с учетом их процентного содержания (распространенности) в земной коре.

Причины, по которым это значение является дробным:

1. Наличие изотопов. Большинство элементов в природе существует в виде смеси изотопов — атомов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов, и, следовательно, с разной массой. Относительная атомная масса является средним значением, учитывающим долю каждого изотопа. Например, хлор состоит из изотопов хлор-35 (~75.8%) и хлор-37 (~24.2%), что дает среднюю массу около 35,45 а.е.м.
2. Дефект масс. Масса атомного ядра всегда немного меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов. Эта разница (дефект масс) обусловлена энергией связи ядра согласно формуле Эйнштейна $E=mc^2$. Из-за этого масса протона и нейтрона в ядре не равна в точности 1.

За единицу измерения массы (атомная единица массы, а.е.м., или Дальтон) принята 1/12 часть массы нейтрального атома изотопа углерода-12 ($^{12}C$). Таким образом, относительная атомная масса показывает, во сколько раз средняя масса атома элемента больше, чем 1/12 массы атома углерода-12.

Ответ: В таблице Менделеева указана относительная атомная масса — средневзвешенная масса атома элемента с учётом распространённости его природных изотопов.