Скільки всього елементарних частинок у Всесвіті? склад ядра атома. Розрахунок протонів і нейтронів Як визначити кількість електронів

Фанатичним математикам, які обожнюють підраховувати все на світі, давно хотілося дізнатися відповідь на фундаментальне питання: скільки всього частинок у Всесвіті? Враховуючи, що приблизно 5 трильйонів атомів водню можуть поміститися на одній головці шпильки, при цьому кожен з них складається з 4 елементарних частинок(1 електрон і 3 кварки в протоні), можна з упевненістю припустити, що число частинок у Всесвіті, що спостерігається, знаходиться за межею людського уявлення.

Як би там не було, професор фізики Тоні Паділла з Нотингемського університету розробив спосіб оцінки загальної кількості частинок у Всесвіті, не беручи до уваги фотони чи нейтрино, оскільки у них відсутня (вірніше, практично відсутня) маса:

Для своїх розрахунків вчений використовував дані, отримані за допомогою телескопа Планка, які використовувалися для вимірювання реліктового випромінювання, що є найстарішим з видимого світлового випромінювання у Всесвіті і таким чином формує подібність її кордону. Завдяки телескопу вчені змогли оцінити щільність і радіус видимого Всесвіту.

Інша необхідна змінна - це частка речовини, що міститься в баріонах. Ці частинки складаються з трьох кварків, і найвідомішими баріонами на сьогоднішній день є протони та нейтрони, а тому у своєму прикладі Паділла розглядає саме їх. Нарешті, для розрахунку необхідне знання мас протону і нейтрону (які приблизно збігаються один з одним), після чого можна приступати до обчислень.

Що робить фізик? Він бере щільність видимого Всесвіту, множить його частку щільності самих лише баріонів, та був множить результат обсяг Всесвіту. Масу всіх баріонів у Всесвіті, що вийшла в результаті, він ділить на масу одного баріону і отримує загальну кількість баріонів. Але баріони нам не цікаві, наша мета – елементарні частки.

Відомо, що кожен баріон складається з трьох кварків — саме вони нам і потрібні. Більше того, загальна кількість протонів (як усі ми знаємо з шкільного курсухімії) одно загальному числуелектронів, які також є елементарними частинками. Крім цього, астрономи встановили, що 75% речовини у Всесвіті представлено воднем, а 25% - гелієм, іншими ж елементами при розрахунках такого масштабу можна знехтувати. Паділла обчислює кількість нейтронів, протонів та електронів, після чого множить дві перші позиції на три – і в нас нарешті є підсумковий результат.

3.28х10 80. Понад три вигінтильйони.

328.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.

Найцікавіше, що з урахуванням масштабу Всесвіту ці частки не заповнюють навіть більшу частину від її загального обсягу. В результаті, на один кубометр Всесвіту припадає лише одна (!) Елементарна частка.

Атом хімічного елемента складається з ядра та електронів. Кількість електронівв атомі залежить від його атомного номера. Електронна конфігурація визначає розподіл електрона за оболонками та підболочками.

Вам знадобиться

Атомний номер, склад молекули

Інструкція

Якщо атом електронейтральний, то число електроніву ньому дорівнює числу протонів. Число протонів відповідає атомному номеру елемента таблиці Менделєєва. Наприклад, водень має перший атомний номер, тому атом має один електрон. Атомний номер натрію – 11, тому атом натрію має 11 електронів.

Атом також може втрачати чи приєднувати електрони. У цьому випадку атом стає іоном, що має позитивний електричний або негативний заряд. Припустимо, один із електронівнатрію залишив електронну оболонку атома. Тоді атом натрію стане позитивно зарядженим іоном, що має заряд +1 та 10 електронівна його електронної оболонки. При приєднанні електроніватом стає негативним іоном.

Атоми хімічних елементівможуть з'єднуватися в молекули, найменшу частинку речовини. Кількість електронівв молекулі дорівнює кількості електроніввсіх атомів, що до неї входять. Наприклад, молекула води H2O складається з двох атомів водню, кожен з яких має по одному електрону, і атома кисню, який має 8 електронів. Тобто в молекулі води всього 10 електронів.

Довгий час для дослідників залишалися секретом багато властивостей матерії. Чому одні речовини добре проводять електрику, а інші – ні? Чому залізо поступово руйнується під впливом атмосфери, а благородні метали добре зберігаються протягом тисяч років? Багато з цих питань знайшли відповідь після того, як людині став відомий пристрій атома: його будова, кількість електронів на кожному електронному шарі. Понад те, освоєння навіть самих основ будови атомних ядер відкрило світу нову епоху.

З яких елементів побудована елементарна цегла речовини, як вони взаємодіють між собою, чим із цього ми навчися користуватися?

у виставі сучасної науки

Нині більшість учених схильні дотримуватися планетарної моделі будівлі матерії. Відповідно до цієї моделі в центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітне навіть у порівнянні з атомом (він у десятки тисяч разів дрібніший за цілий атом). Зате про масу такого ядра не скажеш. Практично вся маса атома зосереджена саме у ядрі. Ядро заряджено позитивно.

Навколо ядра обертаються електрони по різних орбітах, не кругових, як у випадку з планетами Сонячна система, а об'ємним (сфери та об'ємні вісімки). Число електронів в атомі чисельно дорівнює заряду ядра. Але розглядати електрон як частинку, яка рухається якоюсь траєкторією, дуже складно.

Його орбіта крихітна, а швидкість майже як у світлового променя, тому правильніше розглядати електрон разом із його орбітою як негативно заряджену сферу.

Члени атомної сім'ї

Усі атоми складаються з трьох складових елементів: протонів, електронів і нейтронів.

Протон – головний будівельний матеріалядра. Його вага дорівнює атомній одиниці (маса атома водню) або 1,67 ∙ 10 -27 кг у системі СІ. Заряджена частка позитивно, причому її заряд прийнятий за одиницю в системі елементарних електричних зарядів.

Нейтрон - близнюк протона по масі, але не заряджений.

Дві перераховані вище частинки називають нуклідами.

Електрон - протилежність протону за зарядом ( елементарний заряддорівнює -1). Але ось за вагою електрон підкачав, маса його всього-то 9,12 ∙ 10 -31 кг, що майже в 2 тисячі разів легше за протон або нейтрон.

Як це «розглянули»

Як можна було розглянути будову атома, якщо навіть найсучасніші технічні засоби не дозволяють і в найближчій перспективі не дозволять отримати зображення частинок, що його складають. Як же вчені дізналися протонів, нейтронів і електронів в ядрі та їх розташування?

Припущення планетарному пристрої атомів було зроблено з урахуванням результатів бомбардування тонкої металевої фольги різними частинками. На малюнку добре видно, як взаємодіють із речовиною різні елементарні частинки.

Число електронів, що пройшли крізь метал, у дослідах дорівнювало нулю. Це просто: негативно заряджені електрони відштовхуються від електронних оболонок металу, також мають негативний заряд.

Пучок протонів (заряд +) проходив через фольгу, але із «втратами». Частина відштовхувалася від ядер, що попалися на шляху (ймовірність таких попадань дуже незначна), частина відхилялася від початкової траєкторії, пролетівши надто близько до одного з ядер.

Найрезультативнішими в частині подолання металу стали нейтрони. Нейтрально заряджена частка втрачалася тільки у разі прямого зіткнення з ядром речовини, 99,99% нейтронів благополучно проходили крізь товщу металу. До речі, розмір ядер тих чи інших хімічних елементів вдалося розрахувати саме виходячи із кількості нейтронів на вході та не виході.

На основі отриманих даних і було побудовано домінуючу нині теорію будови речовини, яка успішно пояснює більшість питань.

Чого та скільки

Число електронів у атомі залежить від порядкового номера. Так, в атомі звичайного водню є лише один протон. Навколо по орбіті паморочиться єдиний електрон. Наступний елемент періодичної таблиці- гелій влаштований трохи складніше. Його ядро складається з двох протонів і двох нейтронів і, таким чином, має атомну масу 4.

Зі зростанням порядкового номера зростають розміри та маса атома. Порядковий номер хімічного елемента таблиці Менделєєва відповідає заряду ядра (кількості у ньому протонів). Число електронів в атомі дорівнює числу протонів. Так, атом свинцю (порядковий номер 82) має у своєму ядрі 82 протони. На орбітах навколо ядра знаходяться 82 електрони. Щоб розрахувати кількість нейтронів в ядрі, достатньо від атомної маси відібрати число протонів:

Чому їх завжди порівну

Будь-яка система в нашому Всесвіті прагне стабільності. Стосовно атома це виявляється у його нейтральності. Якщо на секунду уявити, що всі без винятку атоми у Всесвіті мають той чи інший заряд різної величини з різними знаками, можна собі уявити, який би у світі настав хаос.

Але оскільки число протонів і електронів в атомі дорівнює, підсумковий заряд кожної цеглини дорівнює нулю.

Число ж нейтронів в атомі – величина самостійна. Більше того, атоми одного й того ж хімічного елемента можуть мати різне число цих частинок із нульовим зарядом. Приклад:

1 протон + 1 електрон + 0 нейтронів = водень ( атомна маса 1);
1 протон + 1 електрон + 1 нейтрон = дейтерій (атомна маса 2);
1 протон + 1 електрон + 2 нейтрони = тритій (атомна маса 3).

У даному випадкучисло електронів у атомі не змінюється, атом залишається нейтральним, змінюється його маса. Такі варіації хімічних елементів називають ізотопами.

Чи завжди атом нейтральний

Ні, не завжди число електронів в атомі дорівнює числу протонів. Якби в атома на якийсь час не можна було «відібрати» електрон чи два, не існувало б такого поняття, як гальваніка. На атом, як і будь-яку матерію, можна впливати.

Під впливом досить сильного електричного поляіз зовнішнього шару атома один або кілька електронів можуть "полетіти". У цьому випадку частка речовини перестає бути нейтральною і називається іоном. Вона може пересуватися в середовищі газу або рідини, переносячи електричний зарядвід одного електрода до іншого. Таким чином, запасають електричний заряд в акумуляторних батареях, а також наносять найтонші плівки з одних металів на поверхні інших (золочення, сріблення, хромування, нікелювання тощо).

Нестабільна кількість електронів і металах - провідниках електричного струму. Електрони зовнішніх шарів гуляють з атома на атом, переносячи по провіднику електричну енергію.

На питання Як обчислити кількість електронів на орбітах (або як вони по-російськи називаються заданий автором МАЛА Твереза-і-Зла!найкраща відповідь це Максимальна кількість електронів на 1 орбіталі (електронній хмарі) - 2. Близькі за розміром та енергії орбіталі утворюють підрівні, максимальна кількість електронів на них: s-підрівень - 2, p-підрівень - 6, d-підрівень - 10, f-підрівень - 14 (орбіталей на підрівні відповідно у 2 рази менше). Близькі по енергії підрівні утворюють ЕНЕРГЕТИЧНІ РІВНІ, або ЕЛЕКТРОННІ ШАРИ (мабуть, саме про них Ви запитуєте). Максимальна кількість електронів на енергетичних рівнях: 1-й - 2, 2-й - 8, 3-й - 18, 4-й і далі - 32. НА ЗОВНІШНІЙ ЕЛЕКТРОННИЙ ШАР АТОМА НЕ МОЖЕ БУТИ БІЛЬШ 8 ЕЛЕКТРОНІВ.
Загальна кількість електронів на всіх електронних шарах дорівнює заряду ядра (порядковий номер елемента). Число електронних шарів атома дорівнює номеру періоду, в якому розташований цей елемент. Заповнення нового електронного шару починається після того, як на попередньому шарі заповнені s- та p-орбіталі.
d-орбіталі попереднього шару заповнюються після заповнення s-орбіталей наступного шару, а вже після цих d-орбіталей заповнюється зовнішній p-підрівень. f-орбіталі заповнюються тільки у лантаноїдів та актиноїдів (2 ряди по 14 елементів внизу таблиці Менделєєва); заповнюється f-підрівень третього зовні електронного шару після того, як заповнився s-підрівень зовнішнього шару (2 електрони) і 1 електрон на d-підрівні попереднього шару. Після заповнення третього зовні f-підрівня продовжується заповнення другого зовні d-підрівня (вставна декада), а потім заповнюється р-підрівень зовнішнього шару.
Наприклад, ванадій V - елемент 5 групи 4 періоду. У нього заповнені 1 (2 електрони) і 2 (8 електронів) рівні, на 3 рівні - s- та p-підрівні (тобто 8 електронів) , потім заповнюється s-підрівень 4 шари (2 електрони) , а потім - d-підрівень 3 шару (3 електрона), тобто на 3 шарі - 8 + 3 = 11 електронів, а електронна схема атома: V +23)2)8)11)2. + 23 - це заряд ядра (порядковий номер; 2 + 8 + 11 + 2 = 23 - число електронів дорівнює порядковому номеру (це перевірка). Як дізнатися число d-електронів: кожен період починається 2 елементами, у яких заповнюється зовнішній s-підрівень (у 4 періоді це - До та Са - елементи 1 і 2 групи), далі у 10 елементів (вставна декада) заповнюється попередній d-підрівень - по 1 електрону (у 4 періоді - від Sc до Zn) Вважаєте: ванадій знаходиться у побічній підгрупі (тобто d-елемент), це 5-й за рахунком елемент 4 періоду, у нього 5 - 2 = 3 d-електрона на попередньому (третьому) шарі (тобто він третій у вставній декаді).
У елементів побічних підгруп 1 і 6 груп спостерігається "проскок" 1 зовнішнього s-електрона на попередній d-підрівень: виникає енергетично вигідніший стан, коли d-підрівень заповнений повністю або наполовину. Наприклад, у міді Сu замість 3d9 4s2 електронна конфігурація буде 3d10 4s1.