§ 4. Будова атома

Складові частини атома. Уявлення давніх філософів про атом як найдрібнішу однорідну й неподільну частинку речовини не змінювалися протягом століть. Однак у другій половині XIX ст. вчені виявили, що в атомі містяться ще дрібніші частинки.

Із курсу хімії 7 класу вам відомо наступне:

• атом — це найменша електронейтральна частинка речовини, яка складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, що рухаються навколо нього (мал. 10);
• величина заряду ядра і кількість електронів в атомі збігаються з порядковим (атомним) номером елемента;
• ядро в десятки тисяч разів менше за атом;
• майже вся маса атома зосереджена в ядрі.

Мал. 10. Модель атома Гідрогену — елемента № 1

Подальші дослідження будови атома на початку XX ст. показали, що в ядрі містяться частинки двох типів — протони 1 і нейтрони 2 . Їх загальна назва — нуклони 3 .

1 Термін походить від грецького слова prötos — перший, найпростіший.

2 Термін походить від латинського слова neutrum — ні те, ні інше.

3 Термін походить від латинського слова nucleus — ядро.

Протон має такий самий за значенням заряд, як і електрон, але позитивний: +1. Кількість протонів визначає заряд ядра атома і є такою самою, що й кількість електронів. Нейтрон — незаряджена частинка. Протон позначають р + , а нейтрон — n 0 .

Для характеристики частинок, які входять до складу атомів, як і для самих атомів, використовують не абсолютні, а відносні маси. Маси протона і нейтрона приблизно однакові і майже у 2000 разів більші за масу електрона. Значення відносних мас протона і нейтрона дорівнюють одиниці.

Отже, в атомі співіснують частинки трьох типів — із позитивним, негативним зарядами, а також ті, що не мають заряду (схема 1).

Електрони притягуються до ядра атома так званими електростатичними силами, однак не падають на нього, оскільки рухаються з високою швидкістю. Протони й нейтрони утримуються разом у ядрі завдяки дії особливих, «ядерних», сил. Природу цих сил повністю ще не з’ясовано.

Протонне і нуклонне числа. Кількість протонів в атомі називають протонним числом. Його вказують нижнім індексом зліва від символу елемента: ₄Ве.

Складники атома

• Які значення протонних чисел мають елементи Флуор і Натрій?

Зважаючи на будову атома, можна дати таке означення хімічного елемента:

хімічний елемент — вид атомів із певним протонним числом.

Сумарну кількість протонів і нейтронів в атомі називають нуклонним числом. Його позначають літерою А, а значення записують верхнім індексом зліва від символу елемента: 9 Ве.

Кількість нейтронів дорівнює різниці між нуклонним і протонним числами. Цих частинок в атомі Берилію налічується 9 – 4 = 5 (мал. 11).

Мал. 11. Модель атома Берилію

Існує двадцять хімічних елементів, у кожного з яких усі атоми мають однакові нуклонні числа (вони майже збігаються з відносними атомними масами, наведеними в періодичній системі):

Be, F, Na, Al, Р, Sc, Μn, Co, As, Y, Nb, Rh, I, Cs, Pr, Tb, Ho, Tm, Au, Bi.

• Визначте кількість протонів, нейтронів і електронів в атомах Флуору і Натрію.

Будь-який із решти елементів має атоми з різними нуклонними числами. Пояснення цьому ви знайдете в наступному параграфі.

Підсумуємо викладене вище і запишемо відповідні математичні вирази.

• Оскільки атом електронейтральний, він містить однакову кількість протонів і електронів, що дорівнює порядковому номеру елемента:

• Кількість нейтронів у будь-якому атомі становить різницю між нуклонним числом і кількістю протонів (електронів) або порядковим номером елемента:

• Кількість нейтронів в атомах двадцяти елементів, указаних вище, можна обчислити, використавши значення відносних атомних мас:

Для 20 елементів

Атом складається з ядра і електронів. Ядро має позитивний заряд; у ньому містяться протони та нейтрони і зосереджена майже вся маса атома. Кількість протонів та електронів в атомі однакова і збігається з порядковим номером елемента. Кількість нейтронів в атомі дорівнює різниці між нуклонним і протонним числами.

• 21. Які частинки входять до складу атома? Чим вони різняться? Який склад атомного ядра?
• 22. Яких частинок у будь-якому атомі однакова кількість?
• 23. Чи існують елементи, в атомах яких немає: а) протонів; б) нейтронів?
• 24. Заповніть порожні клітинки в таблиці:

порядковий номер (протонне число)

Підбиваємо підсумки розділу IV. «Фізика атома та атомного ядра. Фізичні основи атомної енергетики»

1. Вивчаючи розділ IV, ви згадали будову атома й атомного ядра, довідалися про ядерні сили.

2. Ви дізнались, як було відкрито явище радіоактивності, з’ясували природи радіоактивного випромінювання.

3. Ви ознайомилися з фізичними величинами, які характеризують радіоактивне випромінювання, радіонукліди та радіоактивні зразки.

Співвідношення між одиницями

4. Ви з’ясували, що внаслідок поглинання нейтрона важким ядром може відбутися самовільний поділ ядра, який супроводжується виділенням енергії, та дізналися, що реакція синтезу легких ядер теж супроводжується виділенням енергії.

Завдання для самоперевірки до розділу IV. «Фізика атома та атомного ядра. Фізичні основи атомної енергетики»

Завдання 1-8, 10 містять тільки одну правильну відповідь.

1. (1 бал) У ядрі атома Берилію 4 протони і 5 нейтронів. Скільки електронів в атомі Берилію?

2. (1 бал) У ядрі хімічного елемента 33 протони та 43 нейтрони. Який це елемент?

3. (1 бал) На підставі дослідів із α-частинками Е. Резерфорд:

• а) запропонував нейтронно-протонну модель атомного ядра;
• б) пояснив явище радіоактивності;
• в) пояснив механізм ланцюгової ядерної реакції;
• г) запропонував ядерну модель будови атома.

4. (1 бал) При α-розпаді ядра атома деякого елемента утворюється ядро атома елемента, який у Періодичній системі хімічних елементів Д. І. Менделєєва розташований від вихідного елемента:

• а) на дві клітинки ліворуч;
• б) на дві клітинки праворуч;
• в) на одну клітинку праворуч;
• г) на одну клітинку ліворуч.

5. (2 бали) Заряд ядра атома деякого хімічного елемента становить 3,2 • 10 -19 Кл. Який це елемент?

6. (2 бали) Пучок радіоактивного випромінювання розділяється, проходячи між зарядженими пластинами (див. рисунок). Яким є знак заряду кожної пластини?

• а) пластина 1 «+», пластина 2 «-»;
• б) пластина 1 «-», пластина 2 «+»;
• в) пластина 1 «+», пластина 2 «+»;
• г) пластина 1 «-», пластина 2 «-».

7. (2 бали) Визначте активність радіоактивного зразка, якщо щогодини в ньому розпадається 7,2 • 10 10 ядер. Активність зразка вважайте незмінною.

8. (2 бали) Термоядерна реакція синтезу відбувається за умови:

• а) поглинання ядром нейтрона;
• б) високої температури;
• в) низького тиску;
• г) наявності важких ядер.

9. (3 бали) Установіть відповідність між кількістю складників нукліда та власне нуклідом.

• 1 70 електронів
• 2 57 протонів
• 3 57 нейтронів
• 4 70 нуклонів
• А Неон 21 ₁₀Ne
• Б Галій 70 ₃₁Ga
• В Рутеній 101 ₄₄Ru
• Г Лантан 140 ₅₇La
• Д Ітербій 173 ₇₀Yb

10. (3 бали) Яка з наведених нижче ядерних реакцій є реакцією β-розпаду?

11. (3 бали) Радон 222 ₈₆Rn послідовно зазнав двох α- і двох β-розпадів. Ядро якого елемента є продуктом цих розпадів?

12. (3 бали) У зразку міститься 1,6 • 10 10 ядер ізотопу Бісмуту 214 ₈₃Bi, період піврозпаду якого 20 хв. Скільки ядер Бісмуту залишиться у зразку через годину?

13. (3 бали) На даний момент часу в радіоактивному зразку міститься 2 • 10 -10 моль радію. Скільки ядер Радію розпадеться наступної секунди? Стала радіоактивного розпаду Радію λ = 1,37 • 10 -11 с -1 .

14. (4 бали) Середня доза випромінювання, поглинута працівником, що обслуговує рентгенівську установку, дорівнює 7 мкГр за 1 год. Чи безпечно працювати з цією установкою протягом 200 днів на рік по 6 год щоденно, якщо гранично допустима доза опромінення дорівнює 50 мГр на рік? Відомо, що природний радіаційний фон становить 2 мГр на рік.

15. (4 бали) Унаслідок трьох α- і двох β-розпадів деякого материнського ядра утворилося ядро Полонію 21384Ро. Визначте материнське ядро.

16. (4 бали) Визначте, яку масу Урану-235 витрачає за добу атомна електростанція потужністю 2 ГВт, якщо її ККД становить 25 %, а під час кожного поділу ядра 235 ₉₂U виділяється 3,2 • 10 -11 Дж енергії.

Звірте ваші відповіді з наведеними в кінці підручника. Позначте завдання, які ви виконали правильно, і визначте суму балів. Потім цю суму поділіть на три. Одержаний результат відповідатиме рівню ваших навчальних досягнень.

Тренувальні тестові завдання з комп’ютерною перевіркою ви знайдете на електронному освітньому ресурсі «Інтерактивне навчання».

Від експериментів Резерфорда до лікування хвороб

Більшість жителів нашої країни, пам’ятаючи про аварію на Чорнобильській АЕС, із великою підозрою ставляться до слова «радіація». Завершивши вивчення розділу IV, ви довідалися, що радіаційне випромінювання — це, звичайно, небезпечно. Але якщо дотримуватися правил безпеки, контролювати рівень радіаційного фону, вчасно вживати необхідних заходів, то небезпеку можна зменшити.

А чи може бути радіація корисною для організму? Виявляється, у випадку деяких захворювань для збереження життя пацієнта медики змушені фактично завдавати йому шкоди. Так, найпоширенішою формою радіаційної терапії є опромінення пацієнта γ-променями, проникна здатність яких є досить великою (рис. 1, 2). Однак під час опромінення хворого внутрішнього органа опромінюються й здорові частини тіла.

Рис. 1. Обладнання для радіаційної терапії

Рис. 2. Під час процедур медичний персонал розміщується в приміщеннях, захищених від радіації

Природним було прагнення фізиків вирішити цю проблему. Перше рішення — застосування іншого типу випромінювання. Виявилося, що прискорені до великих швидкостей протони мають певні переваги перед γ-випромінюванням. Відомо, що протони максимально ушкоджують місця поблизу своєї зупинки, а на інших ділянках траєкторії рівень ушкоджень є значно нижчим (рис. 3). Змінюючи енергію протонів, можна змінювати місця їхньої зупинки так, щоб ці місця припадали на хворі клітини. Тоді, як видно з рис. 3, рівень ушкодження здорових тканин буде істотно нижчим, ніж хворих. Причому доза опромінення ділянки «до горба» у десятки разів нижча, а «після горба» взагалі дорівнює нулю. На жаль, висока вартість використання прискорювача протонів не дозволяє зробити цей метод масовим.

Рис. 3. Схематичне зображення залежності ступеня ушкодження тканин (χ) від глибини пробігу (l) протонів

Ще один спосіб опромінення хворих тканин — бор-нейтрон-захоплювальна терапія (БНЗТ) — був запропонований порівняно недавно. Велика перевага БНЗТ — в її точності. Цю терапію можна порівняти з «агентом 007», що безпомилково і точно виконує своє завдання.

Ідея БНЗТ полягає ось у чому. Ключовим у терапії є ядро атома Бору. Саме воно, як геніальний воротар, уміє «ловити» нейтрони набагато краще, ніж будь-які інші ядра. Тому під час опромінення тканин нейтронами ядро Бору зуміє «впіймати» нейтрон, навіть якщо їх буде пролітати дуже мало. Ядра ж інших елементів практично не помітять цього опромінення, тобто шкідливу дозу опромінення нейтронами буде зведено до мінімуму.

Після того як ядро Бору «впіймає» нейтрон, воно зазнає радіоактивного перетворення й розпадається на ядро Літію та α-частинку (рис. 4), які мають кінетичну енергію, що може зруйнувати лише одну клітину. Отже, якщо доправити ядро Бору безпосередньо у хвору клітину, то тільки її і буде зруйновано (рис. 5). Доставку ядер Бору здійснюють спеціальні типи лікарських препаратів.

Рис. 4. Схема ядерних реакцій у разі влучення нейтрона в ядро Бору

Рис. 5. Схема проведення БНЗТ у випадках онкозахворювання мозку

Орієнтовні теми проектів

• 1. Ознайомлення з роботою побутового дозиметра.
• 2. Складання радіаційної карти регіону.
• 3. Радіологічний аналіз місцевих харчових продуктів.
• 4. Екологічні проблеми атомної енергетики.
• 5. Розщеплення атома: скринька Пандори чи вогонь Прометея?
• 6. Майбутнє Сонця та інших зір.

Теми рефератів і повідомлень

• 1. Великий адронний колайдер — шлях до вивчення будови Всесвіту.
• 2. Історія атома: від Демокріта до Резерфорда.
• 3. Цеглинки матерії, або Що таке кварки.
• 4. Науковий подвиг П’єра і Марії Кюрі (історія відкриття радію).
• 5. Як Резерфорд установив природу α-частинок.
• 6. Історія створення ядерного реактора.
• 7. Перші атомні електростанції.
• 8. Організація безпеки атомних реакторів.
• 9. Чорнобиль і Фукусіма — дві величезні ядерні катастрофи: що в них спільного, в чому різниця.
• 10. Термоядерний реактор — реактор майбутнього.
• 11. Драма ідей: історія атомної бомби.
• 12. Історія отримання штучних радіоактивних ізотопів.
• 13. Де і як застосовують штучні радіоактивні ізотопи.
• 14. Ядерно-фізичні методи вивчення віку археологічних знахідок.
• 15. Що таке радонові ванни.
• 16. Природна радіоактивність — безпечна чи небезпечна.
• 17. Хронологія атомної ери.
• 18. Атомні електростанції України.
• 19. Атомна енергетика світу.

Берилій хімічний елемент

Берилій — хімічний елемент із символом Be та атомним номером 4.

Це рідкісний елемент, який у природі зустрічається лише в поєднанні з іншими елементами. Це твердий, легкий і крихкий метал сріблясто-сірого кольору. Він класифікується як лужноземельний метал і знаходиться в групі 2 періодичної таблиці.

Берилій має дуже високу температуру плавлення та надзвичайно термостійкий, що робить його корисним у різноманітних застосуваннях, де використовуються високі температури. Він також є хорошим провідником електрики та використовується в електронних компонентах, таких як транзистори та високочастотне радіообладнання. Берилій також використовується в аерокосмічній промисловості як конструкційний матеріал для ракет, ракет і супутників.

Незважаючи на свої корисні властивості, берилій є токсичною речовиною і при неправильному поводженні може викликати серйозні проблеми зі здоров’ям. У цій статті ми детально розглянемо властивості, застосування та вплив берилію на здоров’я.

Структура атома

Атом берилію (Be) має таку структуру:

1. Протони: Атом берилію має 4 протони в ядрі. Це обумовлює його атомний номер у періодичній таблиці, який дорівнює 4.
2. Електрони: У нейтральному атомі берилію також 4 електрони. Електрони розташовані в різних електронних оболонках атома. Електронна конфігурація атома берилію може бути записана як 1s² 2s², що вказує на розміщення двох електронів у першому електронному рівні (оболонці) і двох електронів у другому електронному рівні.
3. Нейтрони: Кількість нейтронів в атомі берилію може варіюватися в залежності від ізотопу берилію. Самий стабільний ізотоп берилію, який зустрічається найчастіше, має 5 нейтронів. Таким чином, масове число (сума протонів і нейтронів) цього ізотопу дорівнює 4 + 5 = 9.

Валентність берилію

Валентність берилію (Be) становить +2. Це означає, що атом берилію може втратити два електрони під час хімічних реакцій, утворюючи двозаряджений іон Be²⁺. Валентність берилію завжди дорівнює +2 у різних хімічних сполуках і реакціях.

Властивості берилію

Фізичні властивості берилію:

Берилій — це твердий сірий метал, крихкий при кімнатній температурі. Він має температуру плавлення 1287°C і температуру кипіння 2471°C. Він має щільність 1,85 г/см³, що робить його одним із найлегших металів. Є хорошим провідником тепла та електрики.

Хімічні властивості берилію:

Берилій є лужноземельним металом і знаходиться у 2 групі періодичної таблиці. Він має два валентних електрони і має тенденцію утворювати ковалентні зв’язки. Не є реактивним металом і не реагує з водою або киснем при кімнатній температурі. Однак він реагує з концентрованими кислотами з утворенням солей берилію.

Ізотопи:

Берилій має тільки один стабільний ізотоп, яким є берилій-9. Проте було виявлено кілька радіоактивних ізотопів берилію, включаючи берилій-7, берилій-10 і берилій-11. Берилій-10 утворюється в результаті розщеплення космічними променями атомів кисню та азоту в атмосфері Землі.

Використання берилію

Електронні компоненти:

Берилій використовується в електронних компонентах, таких як транзистори та високочастотне радіообладнання, через його чудову електропровідність, низьку щільність і високу температуру плавлення. Він також використовується в рентгенівському обладнанні, оскільки він прозорий для рентгенівських променів і не поглинає їх.

Аерокосмічна промисловість:

Використовується в аерокосмічній промисловості як конструкційний матеріал для ракет, ракет і супутників через його легку вагу, високу температуру плавлення та чудові механічні властивості. Берилій також використовується як теплозахисний матеріал для апаратів, що повертаються в космічні кораблі.

Атомна промисловість:

Берилій використовується в ядерній промисловості як сповільнювач нейтронів через його низький поперечний переріз поглинання нейтронів і здатність сповільнювати нейтрони, не захоплюючи їх. Він також використовується як відбивач нейтронів у ядерних реакторах.

Військові застосування:

Використовується у військових цілях, таких як броня танків і кулі, через його твердість і міцність. Він також використовується в ядерній зброї, оскільки є чудовим відбивачем нейтронів.

Вплив берилію на здоров’я:

Берилій є токсичною речовиною і може спричинити серйозні проблеми зі здоров’ям, якщо з ним поводитися неправильно. Отруєння берилієм є серйозним захворюванням, яке може спричинити рак легенів, хронічну берилієву хворобу та інші проблеми з диханням. Отруєння берилію може виникнути через вдихання пилу або парів берилію або через ковтання матеріалів, що містять берилій.

Хронічна берилієва хвороба

Хронічна берилієва хвороба (ХБХ) – це захворювання легень, яке може виникнути в осіб, які протягом тривалого періоду часу піддавалися впливу берилію. CBD – це різновид гіперчутливого пневмоніту, який є алергічною реакцією в легенях, що викликає запалення та рубцювання.

Симптоми CBD включають задишку, кашель, втому, втрату ваги та біль у грудях. Ці симптоми можуть з’явитися лише через кілька років після контакту з берилію. CBD можна діагностувати за допомогою аналізів крові та легеневої функції, які вимірюють функцію легенів.

Запобігання впливу берилію

Найкращий спосіб запобігти впливу берилію – уникати роботи з берилієм або матеріалами, що містять берилій. Якщо робота з берилієм необхідна, слід використовувати належне захисне обладнання, наприклад респіратори, щоб запобігти вдиханню пилу або парів берилію.

Роботодавці повинні проводити навчання щодо небезпеки впливу берилію та застосовувати процедури безпечного поводження з берилію. Якщо берилій присутній на робочому місці, необхідно проводити регулярний моніторинг якості повітря, щоб переконатися, що рівень знаходиться в безпечних межах.

Висновок

Берилій є корисним металом з багатьма властивостями, які роблять його цінним у різних галузях промисловості. Однак це також токсична речовина, яка може спричинити серйозні проблеми зі здоров’ям, якщо з нею поводитися належним чином. Важливо вживати належних запобіжних заходів під час роботи з берилію, щоб запобігти впливу та контролювати якість повітря, щоб забезпечити підтримку безпечних рівнів.

Оскільки дослідження впливу впливу берилію на здоров’я тривають, важливо бути в курсі останніх знахідок і вживати необхідних заходів, щоб захистити себе та інших від впливу. При належних запобіжних заходах можна насолоджуватися перевагами берилію, мінімізуючи ризики, пов’язані з його використанням.

Часті запитання

Берилій (Be) має валентність +2

Берилій є лужноземельним металом