Для тех, кто не хочет смотреть видео
Ни у кого нет сомнений в том, что в открытом космосе человек без скафандра умрет. Но как именно? Версий много, но какая из них верна?
Переохлаждение
Температура в открытом космосе составляет минус 271 градус по Цельсию. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся молекулы в нем. Быстрые молекулы горячего тела ударяются о молекулы холодного тела и теряют свою скорость – при этом тело остывает. Однако у космоса очень маленькая плотность, на высоте 400 километров – это меньше одной квадриллионной грамма на кубический сантиметр (0,000000000000001). Так что передавать тепло человеку будет просто некому, поэтому он в космосе не замерзнет, а будет ощущать лишь легкую прохладу.
Солнечное излучение
От Солнца можно получить сильный ожог или перегреться, ведь в космосе много ультрафиолета, который на Земле задерживается атмосферой. Поэтому получить ожог открытых частей тела там можно уже через 10 секунд. Но одежда способна полностью от этого защитить. Что касается перегрева, даже если вы будете поглощать все солнечное излучение, потребуется минимум 24 минуты, чтобы достичь летальной температуры в 43 градуса по Цельсию.
Разница давлений
В космосе очень низкое давление, оно почти равно нулю, а внутри человека сохраняется одна атмосфера. Однако это слишком незначительная разница – наши ткани достаточно прочны, чтобы выдержать такую нагрузку. Человек может раздуться, но не лопнуть. Однако это раздутие приведет к сжатию кровеносных сосудов и уже через 90 секунд кровоток может прекратиться, что приведет к смерти. Но что может убить человека еще раньше?
Закипание крови
При понижении давления температура кипения любой жидкости понижается. Но даже если снаружи будет нулевое давление, внутри кровеносных сосудов оно сохранится. При давлении в 75 мм ртутного столба кровь будет закипать при температуре 46 градусов по Цельсию. Но изначально она имеет температуру тела – 36,6 – поэтому она будет недостаточно горячей, чтобы закипеть.
Кессонная болезнь
Все жидкости могут растворять в себе газ. Кровь тоже способна растворять в себе азот и кислород, которые мы вдыхаем. При резком понижении давления возможен следующий эффект: этот растворенный газ выделяется обратно в виде пузырьков, которые могут закупорить кровеносные сосуды и привести к смерти. Это и называется кессонная болезнь. Больше всего этой опасности подвержены водолазы. На глубине 40 метров давление в пять раз больше, чем на поверхности, поэтому при резком всплытии могут проявиться симптомы кессонной болезни.
Но когда мы в космосе, мы имеет дело с перепадом давления от одной до нуля атмосфер. При таких параметрах диаметр образующихся пузырьков меньше восьми микрометров, а диаметр самых маленьких сосудов от 8 до 12 микрометров. Получается, что этот эффект в космосе не влечет никаких серьезных последствий.
Недостаток кислорода
Можно ли в космосе задержать дыхание? – Нет. Давление в легких довольно высокое и сила, с которой оно будет вырываться наружу, очень большая, так что этому нельзя будет препятствовать. В результате очень большого выдоха человек потеряет весь запас кислорода, и у него останется около 10 секунд до того момента, как он упадет в обморок. Так что именно именно недостаток кислорода является наиболее вероятной причиной смерти человека в космосе без скафандра.
Мы любим смотреть фильмы о космосе, однако черпать по ним знания о жизни не всегда верно. Так, в фильмах показывается, что человек, оказавшись в космосе без скафандра, может взорваться или заледенеть.
Человек взорвется?
Нет, человек не взорвется, сколько бы ярко это ни показывали в фантастических фильмах. На то они они и фантастические - законы жанра обязывают, но в реальности такого с человеком не произойдет. Нужно признать, что логика в этом мифе все же есть, поскольку вполне логично предположить, что из-за большой разницы давлений человек «надуется» и может лопнуть, как воздушный шар.
По факту человек просто выдохнет весь воздух, так как при перепаде давления в скафандре в 1 атмосферу, на мягкое небо, площадь которого можно условно считать за 4 квадратных сантиметра, нагрузка будет 40 килограмм. Человек при всем желании не сможет сдержать воздух. И, конечно, не взорвется. Человеческие ткани - не эластичный воздушный шар и не такие хрупкие, как хворост.
Человек замерзнет?
Вопреки представлениям, человек, оказавшийся в космосе без скафандра, не превратится в ледышку и не станет мгновенно замерзать, поскольку космос - вакуум, не холодный и не горячий, тепло там передается только излучением, а оно у человека ничтожно. Человек ощутит прохладу, а с поверхности тела будет испаряться вода. Мгновенное замерзание человеку точно не грозит - в отсутствии атмосферы тепло будет отводиться от организма очень медленно
Жидкости закипят?
Кровь у человека, оказавшегося в космосе без скафандра, точно не закипит, так как если внешнее давление падает до нуля при кровяном давлении 120/80 температура кипения крови составит 46 градусов, а это выше температуры тела. Кровь, в отличие от той же слюны, находится в закрытой системе, вены и сосуды позволяют ей находиться в жидком состоянии даже при низком давлении.
Вода, в отличие от крови, начнет быстро испаряться, причем со всех поверхностей тела, включая глаза. Также вскипание воды в мягких тканях вызовет увеличение объема некоторых органов примерно вдвое и повреждение органов. Считается также, что человек, оказавшись в вакууме, может ощутить признаки кессонной болезни, но это маловероятно, поскольку перепад в давлении будет всего в одну атмосферу.
Человек загорится?
Загореться - не загорится, но обгореть может. В космосе отсутствует защита от ультрафиолета. На всех открытых участках тела, подвергшихся прямому солнечному излучению, появятся ультрафиолетовые ожоги.
Человек задохнется?
Да, человек задохнется. Примерно через 30 секунд он потеряет сознание, поскольку воздух, как мы знаем, ему придется выдохнуть, человек испытает состояние глубокой гипоксии. Произойдет потеря ориентации и зрения.
Однако, если в течении полутора минут человека все же поместить в кислородную камеру, то, вероятнее всего, он придет в себя.
В истории космонавтики было несколько прецедентов, когда человек испытывал на себе разгерметизацию в космосе. 19 авгута 1960 года астронавт Джозеф Киттингер совершал прыжок с высоты 31300 метров. Герметичность правой перчатки Киттингера была нарушена, отчего рука сильно распухла и болела. В 1965 американский астронавт оказался в вакуумной камере, сознание он потерял через 14 секунд. Он помнил, что у него за это время закипела слюна на языке.
Сообщение Что произойдет с человеком без скафандра в открытом космосе появились сначала на Умная.
Ядро всех атомов (за исключением водорода) состоит из положительно заряженных протонов и не несущих электрического заряда нейтронов.
Масса протона составляет 1,67х10-24 г, а электрона - всего 9,1х10-28 г, т.е. разница составляет 4 порядка, Размеры: протона и нейтрона - порядка 10-16 см, а электрона - порядка 10-13 см, т.е. соотношение как раз обратное.
При этом размер атомов имеет порядок 10-8 см, т.е. 100 000 раз больше размера электрона и в 100 000 000 раз больше размеров протона, соответственно, атом обладает весьма «ажурной» структурой.
Различие в массе между протонами и нейтронами - всего в 1,0014 раза, что практически несущественно и этой разницей можно пренебречь. Поэтому во всех расчетах массы протона и нейтрона принимаются за 1, а масса электрона - за 0 (т.к. при различии на 4 порядка даже суммарная масса сотни электронов будет столь мала, что ей можно пренебречь, а атомов, в которых число электронов хотя бы приближалось к 1000 в природе не известно, да и теоретически возможность их существования весьма сомнительна).
В целом атом электрически нейтрален. Число положительных зарядов (протонов) уравновешивается числом отрицательных зарядов (электронов).
Если атом теряет или приобретает некоторое число электронов, он переходит в заряженное (ионизированное) состояние.
Химическая индивидуальность атома определяется числом его протонов, т.е. зарядом ядра.
Разновидности одного и того же химического элемента по числу нейтронов (с разными атомными массами) называются изотопами.
Максимально возможное количество электронов на каждом уровне: 2n2 (число Паули), где n - номер оболочки.
Т.о., на 1 уровне могут размещаться 2 электрона, на 2 уровне - 8 электронов, на 3 - 18, на 4 - 32 электрона и т.д.
Внутри каждого из уровней выделяются подуровни, образуемые различными типами электронов (различаются по морфологии орбит и различной энергией):
S - одна сферическая орбита в пределах каждого уровня; на ней может быть расположено не более 2 электронов с противоположными спинами (движущимися в противоположных направлениях;
p - три «гантелеобразных» орбиты, ориентированные взаимно перпендикулярно; тоже до двух электронов на каждой, всего не более 6;
d и f - более удалённые от ядра, морфологически более сложные; вместимость подуровня d - не более 10, f - не более 14 электронов.
Легко запомнить, что количество орбит различных типов соответствует натуральному ряду чисел: 1, 3, 5, 7 …
Число же электронов на каждой орбите можно определить умножением этого ряда на два (2, 6, 10, 14), так как на каждой из орбит могут одновременно находиться два электрона с противоположными спинами.
Отсюда - заполняемость оболочек:
Максимальной энергетической устойчивостью обладают внешние электронные оболочки с числом электронов 2 и 8.
Ионизация - результат способности атома элемента принять или отдать определённое число электронов для достижения максимальной энергетической устойчивости внешней оболочки. Существуют положительные (катионы) и отрицательные (анионы) ионы. С зарядом ионов связано свойство валентности.
Д.И. Менделеев открыл периодичность изменения химических свойств элементов в зависимости от их атомного веса (точнее, порядкового номера). При составлении Периодической таблицы выяснилось, что периодичность имеет более сложный характер, чем можно было бы предположить. Причина в том, что при увеличении порядкового номера элемента порядок заполняемости уровней и подуровней электронами не является линейно последовательным. элемент атом орбита электрон
Чтобы разобраться как происходит заполнение электронных оболочек, удобно использовать формулы строения электронных оболочек химических элементов.
Формула для водорода - 1 s1, т.е всего один электрон типа s на первом энергетическом уровне.
Формула для элемента, завершающего первый ряд в системе Менделеева, будет иметь вид:
2s1 - отвечает гелию.
II период:
Формула для конца второго ряда:
2s1, 2s2 6p2 - неон.
В его начале - элементы, отдающие электроны и образующие катионы (металлы). В конце - неметаллы. Эти элементы (азот, кислород, фтор) присоединяют электроны до заполнения внешнего уровня, образуя анионы. Между ними - углерод, способный как отдавать, так и принимать электроны (образует как кислородные соединения, так и с водородом, металлами).
III период:
Третий ряд также завершается благородным газом:
2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3 - аргон.
Здесь в третьем уровне остаётся незаполненным подуровень d, который может вместить 10 электронов. Но, так как на внешней оболочке расположено 8 электронов, т.е. устойчивое число (не по свойствам самого числа, в пифагорейском смысле, а в смысле наибольшей энергетической устойчивости такого количества электронов), то это - завершённый период.
IV период:
И, хотя остаётся незаполненным подуровень d третьего уровня, далее начинается заполнение четвёртого уровня. И следующим вновь оказывается очередной щелочной элемент - калий (2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3, 1s4)
Но с третьего элемента этого периода - скандия - начинается заполнение того самого подуровня d, который остался пропущен. И потому далее два валентных электрона остаются на внешнем (четвёртом) уровне, а остальные продолжают заполнять третий (добавляется по одному, вплоть до никеля):
2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3 8d3, 2s4
Отсюда вытекают два следствия:
Большую часть следующего периода составляют элементы, образующие катионы, т.е. имеющие свойства металлов (потому что из-за малого числа электронов на внешней оболочке их потеря энергетически выгоднее, чем присоединение).
Широко распространена переменная валентность, так как, помимо потери двух электронов с внешнего уровня возможна и потеря части электронов, обычно одного, с подуровня d) .
У меди, по сравнению с никелем, добавляется 1 электрон, но на заполнение подуровня d третьей оболочки переходят сразу 2 электрона, и она, таким образом, заполняется окончательно. А на внешней оболочке остаётся один электрон, и медь снова может быть одновалентна.
2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3 10d3, 1s4
При этом 18-электронная внешняя оболочка значительно менее энергетически выгодна, чем 8-электронная. Потому менее выгодно и отдавать этот единственный электрон с внешней оболочки. В результате, медь и её аналоги (серебро, золото) могут в природе существовать в самородном состоянии, не вступая в соединения с другими элементами. Причём химическая инертность среди них нарастает от меди к золоту.
А завершается этот период элементом с электронной формулой:
2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3 10d3, 2s4 8p4.
Это опять инертный газ - криптон.
Далее опять начинается с добавления одного, потом двух электронов на очередной (уже пятый) уровень (рубидий, стронций). А потом - заполнение d-подуровня предыдущего уровня. Всё аналогично IV периоду. В конце - очередной инертный газ (ксенон).
2s1, 2s2 6p2, 2s3 6p3 10d3, 2s4 8p4 10d4 2s5 8p5.
VI период:
Начинается аналогично предыдущим периодам - щелочным и щелочноземельным элементами (цезий, барий). С третьего элемента - лантана - опять появляется первый электрон на подуровне d предыдущего уровня. Но ведь до сих пор внутри четвертого (уже позапредыдущего!) уровня остался не заполнен появляющийся здесь подуровень f. И после лантана начинается заполнение этого подуровня. Новые добавочные электроны оказываются глубоко внутри, далеко от внешнего уровня. Они практически не влияют на валентные свойства атомов, и вся большая группа следующих элементов занимает в таблице Менделеева одну клеточку с лантаном. Потом уже продолжается заполнение подуровня 5d, и так далее.
VII период:
В начале повторяет VI период. Можно предполагать, что в его рамках должно происходить заполнение ещё большего числа подуровней, и он должен оказаться ещё длиннее. Но, так как он не завершён из-за неустойчивости сверхтяжёлых элементов, это остаётся лишь предположением.
С ростом атомного номера элемента закономерно изменяются не только химические свойства элементов, но и их размеры - атомные и ионные радиусы.
Это особенно важно для геохимии, так как помимо валентных свойств химических элементов, процессы их миграции в существенной мере зависят от их размеров. В наибольшей мере, эти параметры влияют на явления изоморфизма - взаимозамещения атомов в химических соединениях (это явление Вам известно из курса общей геологии, а далее мы рассмотрим его несколько подробнее).
Определение размеров атомов и ионов стало возможным благодаря появлению метода изучения кристаллических решеток и их параметров рентгеноструктурным методом (изучение структуры кристаллической решетки по характеру дифракции проходящих через неё рентгеновских лучей).
Закономерности:
Величины ионных радиусов колеблются от 0,46 ангстрем у водорода до 2,62 - у цезия.
Значения ионных радиусов у элементарных анионов всегда превышают атомные, а у катионов являются меньшими.
Величины атомных и ионных радиусов изменяются с периодичностью, соответствующей положению элементов в периодической системе Менделеева.
Максимальные значения атомных радиусов характерны для элементов, с которых начинается заполнение очередного энергетического уровня электронных оболочек, т.е. начинающих периоды (щелочных элементов). Исключение - самый первый из них (литий), атомный радиус которого меньше, чем у гелия.
В пределах каждого периода вначале наблюдается постепенное уменьшение атомных радиусов, затем сменяющееся их возрастанием.
В пределах групп периодической системы наблюдается возрастание величин атомных радиусов от легких элементов к более тяжелым. Закономерность не распространяется на элементы тяжелее лантана из-за так называемого лантаноидного сжатия (обусловленной возрастанием силы внутриатомных связей в результате заполнения внутренних электронных оболочек).
Обобщая все данные о распространённости химических элементов и их поведении в геохимических процессах, В.М. Гольдшмидт сформулировал основной закон геохимии:
Одним из основных законов геохимии является закон Ферсмана-Гольдшмидта, который можно сформулировать следующим образом: Геохимия элемента в земной коре определяется как химическими свойствами, так и величиной кларка.
Классификация Вернадского.
Подразделение химических элементов по характеру их поведения в процессах миграции.
Благородные газы - He, Ne, Ar, Kr, Xe. Соединения с другими атомами образуют исключительно редко, поэтому в природных химических процессах значительного участия не принимают.
Благородные металлы - Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, Au. Соединения редки. Преимущественно присутствуют в форме сплавов, и образуются в основном в глубинных процессах (магматических, гидротермальных).
Циклические элементы - H, B, C, N, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Se, Sr, Mo, Ag, Cd, Ba, (Be, Cr, Ge, Zr, Sn, Sb, Te, Hf, W, Re, Hg, Tl, Pb, Bi). Наиболее многочисленная группа и преобладающая по массе. Для каждого элемента характерен определённый круг химических соединений, возникающих и распадающихся в ходе природных процессов. Таким образом, каждый элемент проходит цепочку превращений, в конечном счёте возвращаясь к исходной форме нахождения - и далее. Циклы не являются полностью обратимыми, так как часть элементов постоянно выходит из круговорота (и часть так же снова в него вовлекается).
Рассеянные элементы - Li, Sc, Ga, Br, Rb, Y, Nb, In, J, Cs, Ta. Безусловно, господствуют рассеянные атомы, не образующие химических соединений. Незначительная доля может участвовать в образовании самостоятельных минеральных соединений (большинство - в глубинных процессах, а J и Br - в гипергенных).
Редкоземельные элементы - La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tu, Yb, Lu. Тяготеют к рассеянным. Основная черта - совместная миграция.
Радиоактивные элементы - Po, Rn, Ra, Ac, Th, Pa, U. Основная специфика в том, что в геохимическом процессе происходит постоянное превращение одних элементов в другие, что делает процессы их химической миграции наиболее сложными.
Элементы условности данной классификации:
наличие химических элементов, занимающих промежуточное положение между группами, т.е. способных вести себя в миграционных процессах двояко; в этих случаях для отнесения такого элемента к одной из двух возможных групп «решающим аргументом будет история главной по весу части атомов или наиболее яркие черты их геохимической истории» (наличие доли субъективизма в таком критерии очевидно).
выделение в особую группу радиоактивных элементов не учитывает разной устойчивости изотопов; у ряда элементов существенной является доля как стабильных, так и нестабильных изотопов, и, естественно, геохимическая история соответствующих долей общего числа атомов данного элемента будет различной (K, Rb, Sm, Re и др.). Сейчас, в связи с процессами радиогенного загрязнения, необходимо учитывать и миграцию искусственных радиоактивных изотопов.
Классификация Гольдшмидта.
Наиболее широко применяемая классификация. Элементы сгруппированы на основе их способности формировать естественные ассоциации в природных процессах. Это определяется рядом факторов:
Строение электронных оболочек, обуславливающее химические свойства элементов.
Положение элементов на кривой атомных объёмов.
Химическое «сродство» к тем или иным конкретным элементам, т.е. преимущественная склонность именно с этими определёнными элементами образовывать соединения (может измеряться значениями энергии образования определённых типов их соединений, например, оксидных).
Элементы подразделены на 5 групп:
Литофильные - Li, Be, B, O, F, Na, Mg, Al, Si, P, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Br, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, I, Cs, Ba, TR, Hf, Ta, W, At, Fr, Ra, Ac, Th, Pa, U. Включены кислород и галогены, а также ассоциирующие с ними элементы, то есть преимущественно образующие кислородные и галоидные соединения. Последние - это те, которые расположены на пиках и нисходящих участках кривых атомных объёмов, а также имеют максимальные величины энергии образования оксидных соединений.
Халькофильные (или тиофильные, «любящие» серу) - S, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Po). Те, которые ассоциируют преимущественно с медью и серой. Это - сера и её аналоги (селен, теллур), а также элементы, преимущественно склонные образовывать не оксидные, а сульфидные соединения. Для последних характерны 18-электронные внешние оболочки катионов, расположение на восходящих участках кривых атомных объёмов. Величины энергии образования кислородных соединений низкие. Некоторые способны существовать в самородном виде.
Сидерофильные - Fe, Co, Ni, Mo, Ru, Rh, Pd, Re, Os, Ir, Pt. Ассоциируют с железом. Все принадлежат к элементам с достраивающимися d-оболочками. Занимают промежуточное положение между лито- и халькофильными: минимумы на кривой атомных объёмов, промежуточные значения энергии образования кислородных соединений. В равной мере распространены и в оксидных, и в сульфидных ассоциациях.
Атмофильные - все инертные газы, N, H. Все являются газами, свойственно по преимуществу атомарное или молекулярное (вне соединений) состояние (видимость того, что Н представляет исключение, связана с тем, что атомарный водород теряется, рассеиваясь в космическом пространстве).
Неправомерным является дополнение этой классификации группой биофильных элементов.
До начала 20 века ученые считали атом мельчайшей неделимой частицей вещества, но это оказалось не так. На самом деле, в центра атома располагается его ядро с заряженными положительно протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра по орбиталям вращаются отрицательно заряженные электроны (данная модель атома была в 1911 году предложена Э. Резерфордом). Примечательно, что массы протонов и нейтронов практически равны, а вот масса электрона примерно в 2000 раз меньше.
Хоть атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален, т.к., в атоме одинаковое количество протонов и электронов, а рзнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.
Позже ученые выяснили, что электроны и протоны обладают одинаковой величиной заряда, равной 1,6·10 -19 Кл (Кл - кулон, единица электрического заряда в системе СИ.
Никогда не задумывались над вопросом - какое кол-во электронов соответствует заряду в 1 Кл?
1/(1,6·10 -19) = 6,25·10 18 электронов
Электрическая сила
Электрические заряды воздействуют друг на друга, что проявляется в виде электрической силы .
Если какое-то тело имеет избыток электронов, оно будет обладать суммарным отрицательным электрическим зарядом, и наоборот - при дефиците электронов, тело будет иметь суммарный положительный заряд.
По аналогии с магнитными силами, когда одноименно заряженные полюса отталкиваются, а разноименно - притягиваются, электрические заряды ведут себя аналогичным образом. Однако, в физике недостаточно говорить просто о полюсности электрического заряда, важно его числовое значение.
Чтобы узнать величину силы, действующей между заряженными телами, необходимо знать не только величину зарядов, но и расстояние между ними. Ранее уже рассматривалась сила всемирного тяготения : F = (Gm 1 m 2)/R 2
- m 1 , m 2 - массы тел;
- R - расстояние между центрами тел;
- G = 6,67·10 -11 Нм 2 /кг - универсальная гравитационная постоянная.
В результате проведенных лабораторных опытов, физики вывели аналогичную формулу для силы взаимодейтсвия электрических зарядов, которая получила название закон Кулона :
F = kq 1 q 2 /r 2
- q 1 , q 2 - взаимодействующие заряды, измеренные в Кл;
- r - расстояние между зарядами;
- k - коэффициент пропорциональности (СИ : k=8,99·10 9 Нм 2 Кл 2 ; СГСЭ : k=1).
- k=1/(4πε 0).
- ε 0 ≈8,85·10 -12 Кл 2 Н -1 м -2 - электрическая постоянная.
Согласно закону Кулона, если два заряда имеют одинаковый знак, то действующая между ними сила F положительна (заряды отталкиваются друг от друга); если заряды имеют противоположные знаки, действующая сила отрицательна (заряды притягиваются друг к другу).
О том, насколько огромным по силе является заряд в 1 Кл можно судить, используя закон Кулона. Например, если предположить, что два заряда, каждый в 1Кл разнести на расстояние друг от друга в 10 метров, то они будут друг от друга отталкиваться с силой:
F = kq 1 q 2 /r 2 F = (8,99·10 9)·1·1/(10 2) = -8,99·10 7 Н
Это достаточно большая сила, примерно сопостовимая с массой в 5600 тонн.
Давайте теперь при помощи закона Кулона узнаем, с какой линейной скоростью вращается электрон в атоме водорода, считая, что он движется по круговой орбите.
Электростатическую силу, действующую на электрон, по закону Кулона можно приравнять к центростремительной силе:
F = kq 1 q 2 /r 2 = mv 2 /r
Учитывая тот факт, что масса электрона равна 9,1·10 -31 кг, а радиус его орбиты = 5,29·10 -11 м, получаем значение 8,22·10 -8 Н.
Теперь можно найти линейную скорость электрона:
8,22·10 -8 = (9,1·10 -31)v 2 /(5,29·10 -11) v = 2,19·10 6 м/с
Таким образом, электрон атома водорода вращается вокруг его центра со скоростью, равной примерно 7,88 млн. км/ч.
Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов
Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.
Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.
Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)
Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.
ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.
Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)
Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:
Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.
ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).
Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;
Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.
ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)
ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315
He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90
Итого, количество фантомных частичек По до реакции
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393
p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12
Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:
ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.
Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:
213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер
303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции
Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.
Loading...