Prin definiție, oricare doi atomi cu un număr identic de protoni în nucleele lor aparțin aceluiași element chimic. Atomii cu un număr egal de protoni, dar cu un număr diferit de neutroni sunt izotopi diferiți ai aceluiași element. De exemplu, toți atomii de hidrogen admit exact un proton, dar există izotopi fără neutroni (hidrogen-1, protiumul), un neutron (deuteriu), doi neutroni (tritiu) și mai mult de doi neutroni. Elementele cunoscute formează un set de numere atomice, de la un singur element de protoni până la elementul cu 118 protoni.
Aproximativ 339 de nuclizi se găsesc în mod natural pe Pământ, dintre care 254 (aproximativ 75%) nu s-au observat că se descompun și sunt denumiți „izotopi stabili”. Cu toate acestea, numai 90 dintre acești nuclizi sunt stabili față de orice tip de dezintegrare, chiar și în teorie. Un alt număr de 164 (care aduc totalul la 254) nu s-a observat să se dezintegreze, chiar dacă teoretic este posibil din punct de vedere energetic. Acestea sunt, de asemenea, clasificați oficial drept „stabili”.
Un număr de 34 de nuclizi radioactivi au un timp de înjumătățire mai mare de 80 de milioane de ani, suficient de mult timp pentru a fi prezenți de la nașterea sistemului solar. Această colecție de 288 de nuclizi este cunoscută ca nuclizi primordiali. Pentru 80 dintre elementele chimice există cel puțin un izotop stabil. De regulă, există doar o mână de izotopi stabili pentru fiecare dintre aceste elemente, media fiind de 3,2 izotopi stabili per element. Douăzeci și șase de elemente au doar un singur izotop stabil, în timp ce cel mai mare număr de izotopi stabili observat pentru orice element este de zece, pentru elementul staniu.
- Stabilitatea izotopilor este afectată de raportul dintre protoni și neutroni, precum și de prezența anumitor „numere magice” de neutroni sau protoni care reprezintă benzile cuantice închise și umplute. Aceste benzi cuantice corespund unui set de niveluri de energie în cadrul modelului de bandă al nucleului; benzile umplute, cum ar fi banda umplut cu 50 de protoni pentru staniu, conferă o stabilitate neobișnuită asupra nuclidului.
- Dintre cei 254 nuclizi cunoscuți stabili, doar patru au atât un număr impar de protoni, cât și un număr impar de neutroni: hidrogen-2 (deuteriu), litiu-6, bor-10 și azot-14.
- De asemenea, numai patru nuclizi există natural, nuclizii radioactivi impar-impar au un timp de înjumătățire de peste un miliard de ani: potasiu-40, vanadium-50, lantan-138 și tantal-180m.
Marea majoritate a masei unui atom vine de la protoni și neutroni care îl compun. Numărul total al acestor particule (nucleoni) într-un atom dat este numit numărul de masă. Masa reală a unui atom în stare de repaus este adesea exprimată folosind unitatea de masă atomică (u), numită și dalton (Da). Această unitate este definită ca o doisprezecime din masa unui atom neutru liber de carbon-12, care este de aproximativ 1,66 × 10-27 kg. Hydrogenul-1 are o masă atomică de 1,007825 u. Un atom dat are o masă atomică aproximativ egală (în limita a 1%) cu numărul său de masă ori unitatea de masă atomică (de exemplu, masa unui azot-14 este de aproximativ 14 u).
Mulți oameni folosesc molul pentru a exprima cantități mari de atomi: un mol de atomi din orice element are întotdeauna același număr de atomi (aproximativ 6,022 × 10^23). Acest număr este ales astfel încât, dacă un element are o masă atomică de 1 u, un mol de atomi ai acelui element are o masă aproape de un gram. Atomii nu au o margine exterioară bine definită, deci dimensiunile lor sunt descrise, de obicei, în termeni de rază atomică. Raza atomică poate fi derivată din distanțele dintre două nuclee atunci când cei doi atomi sunt uniți într-o legătură chimică.
Raza variază în funcție de locația unui atom din harta atomică, de tipul legăturii chimice, de numărul de atomi învecinați (numărul de coordonare) și de o proprietate mecanică cuantică cunoscută sub numele de spin. Pe tabelul periodic al elementelor, mărimea atomului tinde să crească când se deplasează coloanele în jos, dar scade când se deplasează pe rânduri (de la stânga la dreapta). Când este supus unor forțe externe, cum ar fi câmpurile electrice, forma unui atom se poate abate de la simetria sferică. Deformarea depinde de magnitudinea câmpului și de tipul orbital al electronilor benzii exterioare, după cum arată elementele teoretice de grup.
Dimensiunile atomice sunt de mii de ori mai mici decât lungimile de undă ale luminii, astfel încât nu pot fi vizualizate cu ajutorul unui microscop optic. Cu toate acestea, atomii individuali pot fi observați folosind un microscop de scanare tunel. De exemplu, o picătură de apă conține aproximativ 2 sextilioane (2 × 10^21) atomi de oxigen și de două ori numărul de atomi de hidrogen; un diamant de un carat conține aproximativ 10 sextilioane de atomi de carbon.
Fiecare element are unul sau mai mulți izotopi care au nuclee instabile supuse dezintegrării radioactive, determinând nucleul să emită particule sau radiații electromagnetice. Dezintegrarea alfa înseamnă emiterea unui nucleu de heliu (doi protoni și doi neutroni). Dezintegrarea beta (incluzând captarea electronilor) rezultă din transformarea unui neutron în proton sau a unui proton în neutron, cu emisia de electron sau pozitron. Emisiile de electroni sau pozitroni se numesc particule beta, iar dezintegrarea beta poate crește sau scădea numărul atomic al nucleului cu unul. Captarea electronică este mai frecventă decât emisia de pozitroni. Dezintegrarea gama rezultă din schimbarea nivelului de energie al nucleului și apariția radiației gamma.
Există și alte tipuri mai rare de dezintegrare, cum ar fi ejecția neutronilor sau a grupurilor de nucleoni, sau conversia internă (emite electroni de înaltă energie), urmată de fotoni de energie înaltă. Fiecare izotop radioactiv are o perioadă caracteristică de înjumătățire, definind timpul necesar pentru ca jumătate din probă să se dezintegreze. Particulele elementare au o proprietate cuantică intrinsecă numită spin. Spinul este măsurat în unități ale constantei Planck reduse (ħ), iar electronii, protonii și neutronii au spin de 1/2 ħ. Momentul magnetic al unui atom este determinat în principal de spinul electronilor; în materia feromagneetică, un număr impar de electroni poate duce la un moment magnetic net global.
Înăuntrul nucleului, nucleonii (protoni și neutroni) pot avea propriile configuri de spin; în standard, nucleul poate avea spin dacă numerele sunt impare. Nucleii cu spin pot fi polarizați (hiperpolarizare) în anumite condiții. Energia nivelurilor electronice este descrisă de modelele cuantice, iar tranzițiile între niveluri implică absorbția sau emisia de fotoni. Spectrele de absorpție și emisie arată benzi și structuri fine datorate cuplării spin-orbită; efectul Zeeman apare când se aplică un câmp magnetic extern, favorizând diviziunea liniilor spectrale în mai multe componente.
Valența este energia de combinare a unui element cu alți atomi. Banda de valență conține electronii de valență; numărul acestora determină comportamentul chimic și tendința de formare a legăturilor. Legăturile chimice pot fi simplificate ca transferuri de electroni sau ca partajări, de exemplu în clorură de sodiu. Unele elemente manifestă valențe multiple, iar legăturile pot fi datorate partajării electronilor în forme multiple, nu doar transferuri simple.
Elementele chimice se afișează în tabelul periodic, organizate după numărul atomic; grupurile de elemente cu același număr de electroni de valență formează familii. Atomul este cea mai mică unitate a materiei comune, format din nucleu (protoni și neutroni) și norul electronilor. Protonele au sarcină pozitivă; electronii sarcină negativă, iar neutronii sunt neutrali. Numărul atomului definește elementul, în timp ce numărul de neutroni definește izotopul; numărul de electroni influențează proprietățile magnetice. Legăturile chimice unesc atomii pentru a forma compuși chimici, iar majoritatea elementelor nu se găsesc în formă nemodificată pe Pământ, ci în forme combinate.
Istoria descoperirii atomului a pornit de la idei filozofice antice despre indivizibilitate, apoi a evoluat prin contribuțiile lui Dalton, Thomson, Rutherford, Moseley, Langmuir, Heisenberg, Schrödinger și alții. Modelul Bohr, spectrometria de masă și descoperirea izotopilor au consolidat înțelegerea noastră despre constituența atomică. În modern, protonii și neutronii sunt considerați hadroni, iar atomul conține nucleoni legați de forța nucleară; electronii rămân fermioni, urmând principiul Pauli. În sistemul periodic actual, există 118 elemente, dintre care 94 apar natural pe Pământ, iar restul au fost sintetizate în laborator. Izotopii stabili reprezintă majoritatea în natură, în timp ce radionuclizii sunt prezenți în realizări cosmice și în stele.
Izotopi, masa atomică și numărul de masă
Masa atomică a izotopilor variază în funcție de numărul de nucleoni. Masa atomică aproximativă este egală cu masa de masă a numărului de masă A ori unitatea de masă atomică, cu excepția carbonului-12, care este standardul de referință. Pentru explicarea masei, s-a dezvoltat spectrometria de masă, demonstrând că izotopii au mase diferite. Carbonul-12 servește drept standard pentru definirea unității de masă atomică.
Proprietăți nucleare fundamentale
Fermionii-electronii, protonii și neutronii-urmăPauli, nu pot ocupa aceeași stare cuantică. În nucleu, raportul neutroni-protoni trebuie ajustat pe măsură ce numărul atomic crește, pentru a compensa respingerea dintre protoni. Nucleonii sunt legați prin forța nucleară, o versiune a forței tari cu rază scurtă de acțiune, iar raza nucleului este mult mai mică decât raza atomică. Un nucleon în nucleu poate avea un orbit de energie specific, cu stările sale energice determinând comportamentul de spectru al atomului.
Relația dintre masă, energie și reacții nucleare
Fizica modernă include conversia masă-energie E = mc^2. Fuziunea nucleară combină protonii și neutronii în nuclei mai grei, necesitând o energie de barrieră Coulomb; în centrul Soarelui, protonii trebuie să aibă energii de 3-10 keV pentru a fuziona. Fuziunea eliberează energie când masa nucleului rezultat este mai mică decât masa totală a nucleonilor săi separați. De asemenea, fisiunea nucleară implică diviziunea unui nucleu în nuclee mai mici, având loc în condiții speciale sau în reacții nucleare.
În contextul elementelor, abundența lor depinde de nucleosinteza stelară și de procese cosmice. Oxigen, siliciu și fier sunt bogate în univers datorită producției lor în stele. Izotopii stabili apar în mod natural pentru aproximativ 80 de elemente, în timp ce alți 24 de elemente sunt reprezentate doar de radionuclizi artificiali sau prin cosmo-nucleosinteză, în special în mediul cosmic. Technețiul a fost primul element sintetizat, în timp ce alte elemente au fost sintetizate în experimente ulterioare în laborator.
Ce sunt izotopii?
Condiții de apariție a elementelor și utilizări
Elementele chimice se găsesc în natură ca elemente necrozate în minerale native, cum ar fi cuprul, argintul, aurul, carbonul și sulful. Majoritatea elementelor se găsesc în forma combinată chimic, ca și în săruri sau oxizi. Istoria descoperirii elementelor a inclus evoluția teoriilor despre atom, de la ideea de indivizibil până la înțelegerea structurii cuantice. Tabla periodică organizează elementele prin creșterea numărului atomic în rânduri și coloane, evidențiind periodicitatea proprietăților fizice și chimice.
În concluzie, înțelegerea elementelor chimice se bazează pe caracterele lor fundamentale: numărul atomic (protoni), numărul masă (nucleoni), izotopii, valența, configurările electronice, spinul nucleului și interacțiunile dintre electroni. Aceste componente formează fertil terenul pentru reacțiile chimice, proprietățile magnetice și comportamentul în mediile diferite.
Considerații despre masa și numerele nucleare
Numărul de neutoni variază în interiorul aceluiași element, generând izotopi diferiți. Izotopii cu mase diferite pot avea timpuri de înjumătățire distincte, iar unii dintre ei pot fi stabili din punct de vedere al dezintegrației, în timp ce alții sunt radioactivi. Izobarile sunt specii de atomi cu același număr de nucleoni, dar aparțin diferitelor elemente.
tags: #elementul #x #are #sarcina #nucleara #egala
Postări populare:
- Purtătorii de hepatită B în timpul sarcinii: riscuri asociate și recomandări esențiale
- Caz clinic obstetrică și ginecologie: structură, diagnostic și tratament
- Sfaturi pentru a amenaja patul bebelușului în siguranță și confort
- Ghid complet pentru gestionarea herniei ombilicale
- Boala sărutului la gravide: prevenție, diagnostic și management