Atomu izmēri un masas ir mazas. Atomu rādiuss ir 10 -10 m, bet kodola rādiuss ir 10 -15 m. Atoma masu nosaka, dalot elementa viena mola atomu masu ar atomu skaitu 1 molā. (NA = 6,02 · 10 23 mol -1). Atomu masa svārstās robežās no 10-27 ~ 10-25 kg. Parasti atomu masu izsaka atomu vienības masa (a.m.u.). Par a.u.m. Ņem 1/12 no oglekļa izotopa 12 C atoma masas.
Galvenās atoma īpašības ir tā kodola lādiņš (Z) un masas skaitlis (A). Elektronu skaits atomā ir vienāds ar tā kodola lādiņu. Atomu īpašības nosaka to kodolu lādiņš, elektronu skaits un stāvoklis atomā.
Kodola pamatīpašības un struktūra (kompozīcijas teorija atomu kodoli)
1. Visu elementu (izņemot ūdeņradi) atomu kodoli sastāv no protoniem un neitroniem.
2. Protonu skaits kodolā nosaka tā pozitīvā lādiņa vērtību (Z). Z- sērijas numurs ķīmiskais elements Mendeļejeva periodiskajā tabulā.
3. Kopējais protonu un neitronu skaits ir tā masas vērtība, jo atoma masa galvenokārt ir koncentrēta kodolā (99,97% no atoma masas). Kodoldaļiņas - protoni un neitroni - apvienojas zem parastais nosaukums nukleoni(no latīņu vārda nucleus, kas nozīmē “kodolu”). Kopējais nukleonu skaits atbilst - masas skaitlis, t.i. tā atommasa A noapaļota līdz tuvākajam veselajam skaitlim.
Serdes ar to pašu Z, bet savādāk A tiek saukti izotopi. Serdes, ka, ar to pašu A ir dažādi Z, tiek saukti izobāri. Kopumā ir zināmi ap 300 stabilu ķīmisko elementu izotopu un vairāk nekā 2000 dabisko un mākslīgi iegūto izotopu. radioaktīvie izotopi
4. Neitronu skaits kodolā N var atrast no starpības starp masas skaitli ( A) un sērijas numuru ( Z):
5. Tiek raksturots kodola izmērs serdes rādiuss, kam ir nosacīta nozīme kodola robežas izplūšanas dēļ.
Kodolvielas blīvums ir 10 17 kg/m 3 un ir nemainīgs visiem kodoliem. Tas ievērojami pārsniedz blīvāko parasto vielu blīvumu.
Protonu-neitronu teorija ļāva atrisināt iepriekš radušās pretrunas priekšstatos par atomu kodolu sastāvu un tā saistību ar atomu skaitu un atommasu.
Kodolenerģija To nosaka darba apjoms, kas jāpaveic, lai kodolu sadalītu tā sastāvā esošajos nukleonos, nepiešķirot tiem kinētisko enerģiju. No enerģijas nezūdamības likuma izriet, ka kodola veidošanās laikā ir jāatbrīvojas tādai pašai enerģijai, kāda jāiztērē kodola sadalīšanas laikā to veidojošos nukleonos. Kodola saistīšanas enerģija ir starpība starp visu brīvo nukleonu enerģiju, kas veido kodolu, un to enerģiju kodolā.
Kad veidojas kodols, tā masa samazinās: kodola masa ir mazāka par to veidojošo nukleonu masu summu. Kodola masas samazināšanās tā veidošanās laikā ir izskaidrojama ar saistīšanas enerģijas izdalīšanos. Ja W sv ir enerģijas daudzums, kas izdalās kodola veidošanās laikā, tad atbilstošā masa Dm, vienāda ar
sauca masas defekts un raksturo kopējās masas samazināšanos, veidojoties kodolam no tā sastāvā esošajiem nukleoniem. Viena atommasas vienība atbilst atomu enerģijas vienība(a.u.e.): a.u.e.=931,5016 MeV.
Īpatnējā kodolenerģija w Saistīšanas enerģiju uz vienu nukleonu sauc: w sv= 
. Lielums w vidēji 8 MeV/nukleons. Palielinoties nukleonu skaitam kodolā, īpatnējā saistīšanās enerģija samazinās.
Atomu kodolu stabilitātes kritērijs ir attiecība starp protonu un neitronu skaitu stabilā kodolā dotajiem izobāriem. ( A= const).
Kodolspēki
1. Kodolmijiedarbība norāda, ka pastāv īpašas kodolspēki, kas nav reducējams ne pret vienu no klasiskajā fizikā zināmajiem spēku veidiem (gravitācijas un elektromagnētiskajiem).
2. Kodolspēki ir maza darbības rādiusa spēki. Tie parādās tikai ļoti mazos attālumos starp nukleoniem apmēram 10-15 m. Garumu (1,5 x 2,2) 10-15 m sauc kodolspēku diapazons.
3. Tiek atklāti kodolspēki maksas neatkarība: Pievilcība starp diviem nukleoniem ir vienāda neatkarīgi no nukleonu lādiņa stāvokļa - protona vai nukleona. Kodolspēku lādiņu neatkarība ir redzama, salīdzinot saistošās enerģijas spoguļu serdeņi. Tas ir nosaukums, kas dots kodoliem, kuros tas pats kopējais skaits nukleoni, bet protonu skaits vienā ir vienāds ar neitronu skaitu otrā. Piemēram, hēlija kodoli 
smagais tritija ūdeņradis - .
4. Kodolspēkiem piemīt piesātinājuma īpašība, kas izpaužas apstāklī, ka kodolā esošais nukleons mijiedarbojas tikai ar ierobežotu skaitu tam tuvāko blakus esošu nukleonu. Tāpēc pastāv lineāra kodolu saistīšanas enerģijas atkarība no to masas skaitļiem (A). Gandrīz pilnīgs kodolspēku piesātinājums tiek sasniegts a-daļiņā, kas ir ļoti stabils veidojums.
Radioaktivitāte, g-starojums, a un b - sabrukšana
1.Radioaktivitāte ir viena ķīmiskā elementa nestabilu izotopu pārvēršanās par cita elementa izotopiem, ko pavada elementārdaļiņu, kodolu vai cieto rentgenstaru emisija. Dabiskā radioaktivitāte sauc par radioaktivitāti, kas novērota dabā sastopamos nestabilos izotopos. Mākslīgā radioaktivitāte sauc par kodolreakciju rezultātā iegūto izotopu radioaktivitāti.
2. Parasti visu veidu radioaktivitāti pavada gamma starojuma - cietā, īsviļņu elektrisko viļņu starojuma - emisija. Gamma starojums ir galvenais radioaktīvo pārveidojumu ierosināto produktu enerģijas samazināšanas veids. Tiek saukts kodols, kurā notiek radioaktīvā sabrukšana mātes; parādās meitasuzņēmums kodols, kā likums, izrādās satraukts, un tā pāreju uz pamatstāvokli pavada g-fotona emisija.
3. Alfa sabrukšana ko sauc par a-daļiņu emisiju, ko veic noteiktu ķīmisko elementu kodoli. Alfa sabrukšana ir smago kodolu ar masas skaitļiem īpašība A>200 un kodollādiņi Z>82. Šādos kodolos veidojas izolētas a-daļiņas, kas katra sastāv no diviem protoniem un diviem neitroniem, t.i. veidojas tabulā pārvietota elementa atoms periodiskā tabula elementi D.I. Mendeļejeva (PSE) divas šūnas pa kreisi no sākotnējā radioaktīvā elementa, kura masas skaitlis ir mazāks par 4 vienībām(Soddy-Faience likums): 
4. Termins beta sabrukšana attiecas uz trīs veidu kodolpārveidojumiem: elektroniski(b-) un pozitronisks(b+) sadalās, kā arī elektroniskā uztveršana.
b-sabrukšana notiek galvenokārt kodolos, kas ir salīdzinoši bagāti ar neitroniem. Šajā gadījumā kodola neitrons sadalās protonā, elektronā un antineutrīnā () ar nulles lādiņu un masu.
B-sabrukšanas laikā izotopa masas skaitlis nemainās, jo tiek saglabāts kopējais protonu un neitronu skaits, un lādiņš palielinās par 1. Tāpēc iegūtā ķīmiskā elementa atomu PSE nobīda vienu šūnu pa labi no sākotnējā elementa, bet tā masas numurs nemainās(Soddy-Faience likums):
b+- sabrukšana notiek galvenokārt ar protoniem salīdzinoši bagātos kodolos. Šajā gadījumā kodola protons sadalās neitronos, pozitronos un neitrīnos ().
.
B+ sabrukšanas laikā izotopa masas skaitlis nemainās, jo tiek saglabāts kopējais protonu un neitronu skaits, un lādiņš samazinās par 1. iegūtā ķīmiskā elementa atomu PSE nobīda vienu šūnu pa kreisi no sākotnējā elementa, bet tā masas numurs nemainās(Soddy-Faience likums):
5. Elektronu satveršanas gadījumā transformācija sastāv no viena no elektroniem pazušanas slānī, kas ir vistuvāk kodolam. Protons, pārvēršoties par neitronu, “tver” elektronu; No šejienes nāk termins “elektroniskā uztveršana”. Elektroniskā uztveršana, atšķirībā no b± uztveršanas, tiek pavadīta ar raksturīgu rentgena starojumu.
6. b-sabrukšana notiek dabiski radioaktīvos, kā arī mākslīgi radioaktīvos kodolos; b+ sabrukšana ir raksturīga tikai mākslīgās radioaktivitātes fenomenam.
7. g-starojums: ierosinot, atoma kodols izstaro elektromagnētisko starojumu ar īsu viļņa garumu un augsta frekvence, kam ir lielāka stingrība un iespiešanās spēja nekā rentgena starojums. Rezultātā kodola enerģija samazinās, bet kodola masas skaitlis un lādiņš paliek nemainīgs. Tāpēc ķīmiskā elementa transformācija citā netiek novērota, un atoma kodols pāriet mazāk satrauktā stāvoklī.
Pirmā nodaļa. STABILU KODOLU ĪPAŠĪBAS
Iepriekš jau tika teikts, ka kodols sastāv no protoniem un neitroniem, kurus saista kodolspēki. Ja mēs izmērām kodola masu atomu masas vienībās, tai vajadzētu būt tuvu protona masai, kas reizināta ar veselu skaitli, ko sauc par masas skaitli. Ja kodola lādiņš ir masas skaitlis, tas nozīmē, ka kodolā ir protoni un neitroni. (Neitronu skaitu kodolā parasti apzīmē ar
Šīs kodola īpašības ir atspoguļotas simboliskā apzīmējumā, kas tiks izmantota vēlāk formā
kur X ir tā elementa nosaukums, pie kura atoma pieder kodols (piemēram, kodoli: hēlijs - , skābeklis - , dzelzs - urāns
Stabilu kodolu galvenie raksturlielumi ir: lādiņš, masa, rādiuss, mehāniskie un magnētiskie momenti, ierosināto stāvokļu spektrs, paritāte un kvadrupola moments. Radioaktīvos (nestabīlos) kodolus papildus raksturo to kalpošanas laiks, radioaktīvo transformāciju veids, emitēto daļiņu enerģija un virkne citu. īpašas īpašības, kas tiks apspriests tālāk.
Vispirms apskatīsim elementārdaļiņu, kas veido kodolu: protonu un neitronu, īpašības.
§ 1. PROTONA UN NEITRONA PAMATRAKSTUROJI
Svars. Elektronu masas vienībās: protonu masa, neitronu masa.
Atomu masas vienībās: protonu masa, neitronu masa
Enerģijas vienībās protona miera masa ir neitrona miera masa.
Elektriskais lādiņš. q ir parametrs, kas raksturo daļiņas mijiedarbību ar elektriskais lauks, izteikts elektronu lādiņa vienībās kur
Visas elementārdaļiņas nes elektrības daudzumu, kas vienāds ar 0 vai Protona lādiņš Neitrona lādiņš ir nulle.
Spin. Protona un neitrona spini ir vienādi. Abas daļiņas ir fermioni un ievēro Fermi-Diraka statistiku un līdz ar to arī Pauli principu.
Magnētiskais moments. Ja protonu masu aizstājam formulā (10), kas nosaka elektrona magnētisko momentu, nevis elektrona masu, iegūstam
Daudzumu sauc par kodolmagnetonu. Pēc analoģijas ar elektronu varētu pieņemt, ka protona griešanās magnētiskais moments ir vienāds ar Tomēr pieredze rāda, ka paša protona magnētiskais moments ir lielāks nekā kodola magnetona: saskaņā ar mūsdienu datiem
Turklāt izrādījās, ka neuzlādētai daļiņai - neitronam - ir arī magnētiskais moments, kas atšķiras no nulles un ir vienāds ar
Magnētiskā momenta klātbūtne neitronā utt liela nozīme protona magnētiskais moments ir pretrunā pieņēmumiem par šo daļiņu punktveida raksturu. Vairāki eksperimentāli dati, kas iegūti pēdējie gadi, norāda, ka gan protonam, gan neitronam ir komplekss neviendabīga struktūra. Neitrona centrā ir pozitīvs lādiņš, bet perifērijā ir negatīvs lādiņš, kas vienāds ar lielumu, kas sadalīts daļiņas tilpumā. Bet tā kā magnētisko momentu nosaka ne tikai plūstošās strāvas lielums, bet arī tās aptvertais laukums, tad to radītie magnētiskie momenti nebūs vienādi. Tāpēc neitronam var būt magnētisks moments, vienlaikus saglabājot neitrālu.
Nukleonu savstarpējās transformācijas. Neitrona masa ir par 0,14% lielāka nekā protona masa vai 2,5 reizes lielāka par elektrona masu,
Brīvā stāvoklī neitrons sadalās protonā, elektronā un antineitrīnā: tā vidējais kalpošanas laiks ir gandrīz 17 minūtes.
Protons ir stabila daļiņa. Tomēr kodola iekšpusē tas var pārvērsties par neitronu; šajā gadījumā reakcija notiek saskaņā ar shēmu
Daļiņu masas atšķirības kreisajā un labajā pusē tiek kompensētas ar enerģiju, ko protonam piešķir citi kodola nukleoni.
Protonam un neitronam ir vienādi spini, gandrīz vienādas masas un tie var pārveidoties viens otrā. Vēlāk tiks parādīts, ka arī kodolspēki, kas darbojas starp šīm daļiņām pa pāriem, ir identiski. Tāpēc tos sauc par vispārēju nosaukumu - nukleons un saka, ka nukleons var būt divos stāvokļos: protons un neitrons, kas atšķiras pēc to attiecības ar elektromagnētisko lauku.
Neitroni un protoni mijiedarbojas, jo pastāv kodolspēki, kas pēc būtības nav elektriski. Kodolspēki ir parādā savu izcelsmi mezonu apmaiņai. Ja mēs attēlosim protona un zemas enerģijas neitrona mijiedarbības potenciālās enerģijas atkarību no attāluma starp tiem, tad tas aptuveni izskatīsies kā grafiks, kas parādīts attēlā. 5, a, t.i., tam ir potenciāla akas forma.
Rīsi. 5. Potenciālās mijiedarbības enerģijas atkarība no attāluma starp nukleoniem: a - neitronu-neitronu vai neitronu-protonu pāriem; b - protonu-protonu pārim
Atoms ir mazākā ķīmiskā elementa daļiņa, kas to visu saglabā Ķīmiskās īpašības. Atoms sastāv no kodola, kuram ir pozitīvs elektriskais lādiņš, un negatīvi lādētiem elektroniem. Jebkura ķīmiskā elementa kodola lādiņš ir vienāds ar Z un e reizinājumu, kur Z ir šī elementa kārtas numurs ķīmisko elementu periodiskajā sistēmā, e ir elementārā elektriskā lādiņa vērtība.
Elektrons ir mazākā vielas daļiņa ar negatīvu elektrisko lādiņu e=1,6·10 -19 kuloni, ņemot par elementāru elektrisko lādiņu. Elektroni, kas rotē ap kodolu, atrodas elektronu apvalkos K, L, M utt. K ir kodolam vistuvāk esošais apvalks. Atoma izmēru nosaka tā elektronu apvalka lielums. Atoms var zaudēt elektronus un kļūt par pozitīvu jonu vai iegūt elektronus un kļūt negatīvs jons. Jona lādiņš nosaka zaudēto vai iegūto elektronu skaitu. Procesu, kurā neitrāls atoms pārvērš par lādētu jonu, sauc par jonizāciju.
Atomu kodols(atoma centrālā daļa) sastāv no elementārām kodoldaļiņām - protoniem un neitroniem. Kodola rādiuss ir aptuveni simts tūkstošus reižu mazāks par atoma rādiusu. Atomu kodola blīvums ir ārkārtīgi augsts. Protoni- tās ir stabilas elementārdaļiņas ar vienu pozitīvu elektrisko lādiņu un masu, kas 1836 reizes lielāka par elektrona masu. Protons ir vieglākā elementa, ūdeņraža, atoma kodols. Protonu skaits kodolā ir Z. Neitrons ir neitrāla (bez elektriskā lādiņa) elementārdaļiņa, kuras masa ir ļoti tuvu protona masai. Tā kā kodola masa sastāv no protonu un neitronu masas, tad neitronu skaits atoma kodolā ir vienāds ar A - Z, kur A ir dotā izotopa masas skaitlis (sk.). Protonus un neitronus, kas veido kodolu, sauc par nukleoniem. Kodolā nukleonus savieno īpaši kodolspēki.
Atomu kodols satur milzīgu enerģijas rezervi, kas izdalās kodolreakciju laikā. Kodolreakcijas notiek, kad atomu kodoli mijiedarbojas ar elementārdaļiņām vai citu elementu kodoliem. Kodolreakciju rezultātā veidojas jauni kodoli. Piemēram, neitrons var pārveidoties par protonu. Šajā gadījumā no kodola tiek izmesta beta daļiņa, t.i., elektrons.
Protona pāreju uz neitronu kodolā var veikt divos veidos: vai nu no kodola tiek emitēta daļiņa, kuras masa ir vienāda ar elektrona masu, bet ar pozitīvs lādiņš, ko sauc par pozitronu (pozitronu sabrukšana), vai arī kodols uztver vienu no elektroniem no K-čaulas, kas tam ir vistuvāk (K-tveršana).
Dažreiz iegūtajam kodolam ir enerģijas pārpalikums (atrodas ierosinātā stāvoklī) un, atgriežoties normālā stāvoklī, tas atbrīvo lieko enerģiju elektromagnētiskā starojuma veidā ar ļoti īsu viļņa garumu - . Kodolreakciju laikā izdalītā enerģija tiek praktiski izmantota dažādās nozarēs.
Atoms (grieķu atomos — nedalāms) ir ķīmiskā elementa mazākā daļiņa, kurai ir savas ķīmiskās īpašības. Katrs elements sastāv no noteikta veida atomiem. Atoms sastāv no kodola, kas nes pozitīvu elektrisko lādiņu, un negatīvi lādētiem elektroniem (sk.), veidojot tā elektronu apvalkus. Kodola elektriskā lādiņa lielums ir vienāds ar Z-e, kur e ir elementārais elektriskais lādiņš, kas vienāds ar elektrona lādiņu (4,8·10 -10 elektriskās vienības), un Z ir šī elementa atomskaitlis ķīmisko elementu periodiskā sistēma (sk. .). Tā kā nejonizēts atoms ir neitrāls, tajā iekļauto elektronu skaits arī ir vienāds ar Z. Kodola (sk. Atoma kodols) sastāvā ietilpst nukleoni, elementārdaļiņas, kuru masa ir aptuveni 1840 reizes lielāka par elektrona masu. (vienāds ar 9,1 10 - 28 g), protoni (sk.), pozitīvi lādēti un neitroni bez lādiņa (sk.). Nukleonu skaitu kodolā sauc par masas skaitli un apzīmē ar burtu A. Protonu skaits kodolā, kas vienāds ar Z, nosaka elektronu skaitu, kas nonāk atomā, elektronu apvalku struktūru un ķīmisko vielu. atoma īpašības. Neitronu skaits kodolā ir A-Z. Izotopi ir viena un tā paša elementa šķirnes, kuru atomi atšķiras viens no otra pēc masas skaita A, bet tiem ir vienāds Z. Tādējādi viena un tā paša elementa dažādu izotopu atomu kodolos ir atšķirīgs numurs neitroni plkst tas pats numurs protoni. Apzīmējot izotopus, virs elementa simbola raksta masas skaitli A, bet zemāk – atomskaitli; piemēram, skābekļa izotopus apzīmē: 
Atoma izmērus nosaka elektronu apvalku izmēri, un tie visiem Z ir aptuveni 10–8 cm, jo visu atoma elektronu masa ir vairākus tūkstošus reižu mazāka par kodola masu , atoma masa ir proporcionāla masas skaitlim. Dotā izotopa atoma relatīvo masu nosaka attiecībā pret oglekļa izotopa C12 atoma masu, ko ņem kā 12 vienības, un to sauc par izotopa masu. Izrādās, ka tas ir tuvu atbilstošā izotopa masas skaitlim. Ķīmiskā elementa atoma relatīvais svars ir vidējā (ņemot vērā dotā elementa izotopu relatīvo pārpilnību) izotopa svara vērtību, un to sauc par atomsvaru (masu).
Atoms ir mikroskopiskā sistēma, un tās struktūru un īpašības var izskaidrot tikai, izmantojot kvantu teoriju, kas radīta galvenokārt 20. gadsimta 20. gados un paredzēta, lai aprakstītu parādības atomu mērogā. Eksperimenti ir parādījuši, ka mikrodaļiņām - elektroniem, protoniem, atomiem utt. - papildus korpuskulārajām daļiņām ir viļņu īpašības, kas izpaužas difrakcijā un traucējumos. Kvantu teorijā, lai aprakstītu mikroobjektu stāvokli, tiek izmantots noteikts viļņu lauks, ko raksturo viļņa funkcija (Ψ-funkcija). Šī funkcija nosaka mikroobjekta iespējamo stāvokļu varbūtības, t.i., raksturo potenciālās iespējas atsevišķu tā īpašību izpausmei. Funkcijas Ψ variācijas likumam telpā un laikā (Šrodingera vienādojums), kas ļauj atrast šo funkciju, kvantu teorijā ir tāda pati loma kā Ņūtona kustības likumiem klasiskajā mehānikā. Šrēdingera vienādojuma atrisināšana daudzos gadījumos noved pie diskrēta iespējamie stāvokļi sistēmas. Tātad, piemēram, atoma gadījumā tiek iegūta virkne viļņu funkciju elektroniem, kas atbilst dažādām (kvantētām) enerģijas vērtībām. Atomu enerģijas līmeņu sistēma, kas aprēķināta ar kvantu teorijas metodēm, ir guvusi spožu apstiprinājumu spektroskopijā. Atoma pāreja no pamatstāvokļa, kas atbilst zemākajam enerģijas līmenis E 0, jebkurā no ierosinātajiem stāvokļiem E i rodas, absorbējot noteiktu enerģijas daļu E i - E 0. Uzbudināts atoms pāriet uz mazāk ierosinātu vai pamata stāvokli, parasti izstarojot fotonu. Šajā gadījumā fotona enerģija hv ir vienāda ar atoma enerģiju starpību divos stāvokļos: hv = E i - E k kur h Planka konstante (6,62·10 -27 erg·sek), v ir frekvence. gaismas.
Papildus atomu spektriem kvantu teorija ļāva izskaidrot arī citas atomu īpašības. Jo īpaši valence, daba ķīmiskā saite un molekulu uzbūve, tika izveidota elementu periodiskās sistēmas teorija.