СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

По современным представлениям атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и электронов, располагающихся вокруг ядра в виде слоѐв. В ядре сосредоточена почти вся масса атом. Число электронных слоѐв увеличивается е возрастания порядкового номера элемента.

В состав ядра входят элементарные частицы – нуклоны, это частицы двух видов: протоны (p) и нейтроны (n): протоны – положительно заряженные частицы, а нейтроны – нейтральные. Количество протонов определяет заряд ядра Z, оно совпадает с порядковым (атомным) номером элемента. Число протонов равно количеству орбитальных электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Ядра атомов различаются по числу нейтронов и протонов. Их соотношение

в стабильных ядрах является вполне определѐнным. A – массовое число элемента, A-Z – число нейтронов в ядре.

В ядре могут проходить переходы типа n→p, p→n, иногда протон и нейтрон рассматривают как разное состояние нуклона. Нуклоны в ядре связаны

между собой ядерными силами притяжения, благодаря чему прочность ядра очень велика. Радиус действия ядерных сил чрезвычайно мал (около 10^-15 м). Ядерные силы быстро затухают с увеличением расстояния между частицами и обладают способностью к насыщению, особенно в системе 2n→2p. Этим объясняется наличие в ядре, помимо элементарных частиц p и n, более сложных

α-частиц (⁴₂ He), каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Радиус ядра составляет примерно 10^-14 м, а радиус атома – 10^-10 м, то есть атом имеет очень разреженную структуру. Суммарный объѐм ядра и всех электронов атома равен 10^-12 объѐма атома. По этим причинам элементарные

частицы могут легко проходить через слои вещества значительной толщины. Протон является заряженной частицей с единичным положительным

зарядом. Масса протона в 1836 раз больше, чем масса электрона. У электрически нейтрального нейтрона масса близка к массе протона (больше на 2,5 массы электрона).

В лѐгких ядрах (малые Z) содержится равное или почти равное число протонов и нейтронов. В тяжѐлых ядрах соотношение числа протонов и нейтронов меняется, нейтронов становится в 1,5 раза больше, чем протонов. Для стабильных ядер связь между Z и A описывается эмпирическим соотношением:

Существование стабильных ядер свидетельствует о том, что ядерные силы притяжения значительно превосходят кулоновские силы взаимного отталкивания.

Изотопами называются ядра, которые содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Поэтому изотопы имеют различное массовое число и одинаковые химические свойства. В природе большинство элементов представляют смесь двух или более изотопов. Изобары – это ядра с одинаковыми массовыми числами, но с разным количеством нейтронов и протонов.

Масса ядра всегда меньше суммы масс всех составляющих его нейтронов и протонов, так как прочно связанная система нуклонов имеет минимум энергии согласно формуле Эйнштейна E=mc². Разность масс – дефект массы, определяет энергию связи нуклонов ядра. Энергия связи – это та энергия, которую надо затратить для разделения ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия – мера прочности ядра.

Ядро атома окружено диффузным облаком из электронов, которое определяет размер атома. Области наиболее вероятного нахождения электронов называют орбиталями. Каждая орбиталь характеризуется определѐнной энергией.

Физические и химические свойства атомов и вещества в целом во многом определяются особенностями электронного облака вокруг атомного ядра.

Орбитальные электроны при стационарном состоянии атома двигаются по замкнутой орбите, при этом не выделяется энергия и орбиты электронов являются устойчивыми.

Возможно существование нескольких стационарных состояний, каждое из которых характеризуется определѐнной энергией. Если электрон переходит из состояния с более высокой энергией в состояние с пониженной энергией, происходит излучение фотона определѐнной энергии. В возбуждѐнное состояние атом может перейти, например, при нагреве вещества при прохождении через него электрического тока.

Энергетические переходы электронов внутренних слоѐв (K, L и т. д.) приводят к возникновению квантов рентгеновского излучения (энергия в сотни и тысячи электрон-вольт). Такие переходы могут быть вызваны внешними воздействиями, например, α-частицами или квантами с достаточным уровнем энергии (рентгеновского или γ-излучение), которые первоначально вызывают удаление из атома одного из внутренних электронов и заполнение образовавшейся вакансии другим электроном, который переходит с более

удалѐнных от ядра оболочек. Время перехода (или цепочки переходов) 10^-7-10^-16 с. Энергия кванта характеристического рентгеновского излучения равна разности энергий электронов внешней и внутренней оболочек. Если первоначальная вакансия образовалась на K-слое, то атомом испускается квант K-серии, при удалении электрона с L-слоя испускается квант L-серии. Для каждой серии с увеличением порядкового номера элемента происходит закономерное увеличение как требуемой для возбуждения энергии, так и энергии излучаемых квантов.

Рентгеновские спектры характерны для каждого элемента и практически не зависят от типа химических соединений элементов, что позволяет эффективно определять элементный состав минерального и техногенного сырья.

Формой существования химических элементов в свободном виде являются простые вещества, они в природе представлены металлами и неметаллами.

Если атом обладает всеми свойствами химического элемента, то молекула

– это мельчайшая частица химического соединения (вещества), которая обладает всеми свойствами химического соединения и способна к самостоятельному существованию. Молекула состоит из двух или более атомов.

Химическое соединение – сложное вещество, которое состоит из атомов двух или нескольких элементов. Иногда в качестве химических соединений могут рассматриваться простые вещества, если их молекулы состоят из атомов, связанных ковалентной связью.

Важнейшими физическими свойствами веществ, которые могут быть использованы для их идентификации, являются электрические (электропроводность, диэлектрическая проницаемость), магнитные (магнитная восприимчивость, магнитная проницаемость), теплофизические (теплопроводность, теплоѐмкость), оптические (коэффициенты и спектры поглощения, пропускания, рассеяния, преломления), люминесцентные (спектр и интенсивность свечения).

Химическое соединение – это следующий за ядром и атомом уровень организации материи.

Природное химическое соединение, химический состав которого изменяется в граничных пределах, обладающее кристаллической структурой, образовавшееся в результате геологических процессов, называют минералом.

Минерал обладает определѐнными физическими, механическими свойствами, может быть представлен несколькими минеральными видами и иметь сложный состав. Каждый минеральный вид имеет определѐнный

химический состав и структуру. Они определяют его конституцию, которая, в свою очередь, определяет присущие минералу свойства и его морфологию.

Форма кристаллов определяется его структурой и влиянием окружающей среды. Степень развития кристалла в разных направлениях определяет его облик. Различают следующие типы облика:

- изометричный – примерно одинаковое развитие кристалла по взаимно перпендикулярным направлениям;

- удлинѐнный – при увеличении кристалла в одном направлении облик последовательно будет короткопризматическим, длиннопризматическим, игольчатым, волокнистым;

- уплощѐнный – при сжатии в одном направлении облик меняется в последовательности: таблитчатый, пластинчатый, чешуйчатый, листоватый;

- если кристалл в разных направлениях развит неравномерно, облик

называют бочонковидным, клиновидным, скипетровидным, сноповидным и т. п.

Минеральные индивиды – это отдельные кристаллы, зѐрна минералов, отделѐнные друг от друга физическими поверхностями раздела и представляющие собой форму нахождения минеральных видов в природе. Минеральный индивид – исходное понятие минералогии, они являются составными частями минеральных агрегатов.

Агрегатом называют незакономерное срастание множества индивидов одного или разных минералов. Форма отдельных кристаллов и механизм их образования предопределяют форму минеральных агрегатов.

Если зѐрна изометричны, то по их величине агрегаты подразделяют на тонкозернистые (зѐрна на глаз не различимы), мелкозернистые (зѐрна различимы на глаз и менее 1 мм), среднезернистые (1-5 мм), крупнозернистые (5-20 мм), гигантозернистые (крупнее 20 мм).

При вытянутой форме индивидов они образуют шестоватые, игольчатые, волокнистые агрегаты. При уплощенной форме кристаллов агрегаты приобретают пластинчатое, чешуйчатое и листоватое строение.

Природные совокупности агрегатов минералов примерно одинакового минералогического состава, образующие самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору, называются горными породами.

Как физическое тело минеральные агрегаты, горные породы характеризуются группой свойств, среди них плотностные, упругие, прочностные, тепловые, электрические, магнитные, оптические и т. д. Важными свойствами являются также пористость и трещиноватость. Свойства

горных пород зависят также от различного рода воздействий: механистического

(давление), теплового, электрического, магнитного, радиационного, вещественного (насыщенность жидкостями или газами и т. д.).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каково соотношение между радиусами ядра и атома?

2. Каков радиус действия ядерных сил?

3. Физические свойства веществ, используемые для их идентификации.

4. Привести примеры свойств минеральных агрегатов и горных пород как физических тел.

5. Дать понятие изотопа.

ТЕМА 4