Как найти количество электронов в физике

Как найти число протонов, нейтронов и электронов

Соавтор(ы): Meredith Juncker, PhD. Мередит Джанкер — аспирантка, работает над получением степени PhD по биохимии и молукулярной биологии в Медицинском центре Университета штата Луизиана. Ее исследования посвящены белкам и нейродегенеративным заболеваниям.

Количество источников, использованных в этой статье: 8. Вы найдете их список внизу страницы.

Количество просмотров этой статьи: 886 303.

Протоны, нейтроны и электроны – основные частицы, из которых состоит атом. Протоны заряжены положительно, электроны – отрицательно, а нейтроны и вовсе не имеют заряда. [1] X Источник информации Масса электронов очень мала, а масса протонов и нейтронов практически одинакова. [2] X Источник информации На самом деле, найти в атоме количество протонов, нейтронов и электронов довольно просто, нужно только научиться ориентироваться по периодической таблице химических элементов Д.И.Менделеева.

Урок 2. Электричество: как пересчитать электроны

И опять в названии урока встречается это слово «электрон».И это всё потому, что без этих маленьких частиц не было бы у нас ни телевизоров, ни компьютеров, ни телефонов. Придётся терпеть…

Здравствуйте, уважаемые! Всем известно, что и в обычной домашней розетке, и в батарейке к электронным часам, и в аккумуляторе автомобиля есть электричество. Но ведь везде оно разное. А насколько разное? И как вообще определить разницу между двумя «электричествами» (да простит меня русский язык)? Но для начала я расскажу о том, где электричество может существовать, а где нет. А точнее сказать, где его много, а где совсем чуть-чуть. На прошлом уроке было высказано утверждение, что в различных веществах и материалах количество свободных электронов разное. Следовательно, для разных материалов за одно и то же время через единицу объема (площади), если материал находится в электрическом поле, пройдет различное количество электронов и будет перенесено разное количество заряда. Отношение количества заряда, перенесенного электрическим полем за единицу времени, называется силой тока:

где Q – величина перенесенного заряда, t –время.
Единицей измерения силы тока является ампер:

показывает, что чем больше электронов поле сумеет «протолкнуть» через материал за то же время, тем больший ток разовьётся в нём.
Однако при увеличении площади поперечного сечения проводника количество электронов увеличивается, следовательно и увеличивается перенесённый заряд в единицу времени и увеличивается сила тока. Для определения способности материала проводить электрический ток была введена величина удельной электропроводности, равная отношению плотности электрического тока к величине напряженности электрического поля. Плотность тока, протекающего через поперечное сечение проводника, показывает, какой ток протекает через единицу этой площади:

Таким образом, удельная электропроводность &#963 равна:

где j – плотность тока, E – напряженность электрического поля.
Единицей измерения удельной электропроводности является сименс.

Зависимость показывает, что чем меньшую плотность тока мы можем обеспечить при данной напряженности поля, тем хуже свойство материала проводить электрический ток и чем меньше напряженность (энергия) поля требуется для создания заданной плотности тока, тем лучше свойство материала проводить электрический ток.
Чем больше величина электропроводности, тем большей способностью проводить электрический ток обладает материал. Именно эта величина и делит все материалы на Земле на три большие группы:

• проводники;
• полупроводники;
• диэлектрики или изоляторы.

Проводники отличаются тем, что количество свободных электронов в них очень и очень большое (высокая удельная электропроводность), поэтому и электричества в них «возникает» много. К этому классу относятся все металлы, растворы солей, кислоты и щелочи, а так же сверхпроводники – материалы, которые в определенных условиях обладают наилучшей проводимостью. Наилучшим проводником в классе проводников (а вот и первый каламбур!) является металл серебро. Он обладает наибольшим количеством этих самых свободных электронов. После него идет медь, потом золото, алюминий, цинк и железо. Однако серебро очень дорогой металл, чтобы использовать его для передачи электричества, поэтому используется он лишь иногда, где это действительно необходимо. Например, большинство проводов изготавливаются из более дешевой меди или алюминия.

К полупроводникам, имеющим среднее значение удельной электропроводности, относят такие материалы, как: германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и т.д. Более подробно свойства полупроводников будут рассмотрены позже. Стоит только отметить, что полупроводники являются одним из важнейших элементом для электротехники, на их основе созданы такие приборы как диоды, транзисторы, большие и сверхбольшие интегральные схемы (БИС и СБИС) и т.д.

Наиболее низким значением электропроводности обладают диэлектрики – для сравнения: самый лучший диэлектрик, янтарь, в 62.5•10 24 раза хуже проводит электрический ток, чем серебро. К диэлектрикам так же относятся: воздух, фарфор, стекло, резина, пластмассы, масла, дистиллированная вода, сухая бумага и т.д. Диэлектрики применяются при производстве изоляции для проводов, конденсаторов, токонепроводящих подложек и частей инструментов и т.д. Условно считается, что диэлектрики, хоть и обладают некоторой величиной удельной электропроводности, не проводят электрический ток вообще. Именно по этой причине в резиновых перчатках электрический ток и не сможет причинить вреда.

• Сила тока (I) – это количество заряда (Q), перенесенное электрическим полем за единицу времени (t). Измеряется в амперах.
• Удельная электропроводность (&#963) – это отношение плотности электрического тока (j) к величине напряженности электрического поля (E). Измеряется в сименсах.
• По величине электропроводности все материалы делятся на три группы: проводники (обладают большой удельной электропроводностью), полупроводники (обладают средним значением удельной электропроводности) и диэлектрики (обладают низкой величиной удельной электропроводности и очень плохо проводят электрический ток).

На этом наш короткий урок закончен. До новых встреч!
И напоследок, вот вам задачки:

Электрон. Что такое электрон, его заряд, масса, спин, энергия покоя

Электрон – это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица.

Электроны играют важную роль почти во всех физических эффектах. Поскольку электроны несут заряд, они также генерируют электрическое поле. Если привести электрон в движение, то возникнет магнитное поле. Если электрон проходит через другое внешнее электрическое поле, его путь изменяется под действием силы Лоренца.

Электрон принадлежит к лептонному семейству частиц. Существует несколько различных семейств частиц, перечисленных в стандартной модели физики частиц.

Спин электрона и магнитный момент электрона.

Согласно современному уровню знаний, лептоны являются элементарными частицами. По сравнению с другими лептонами, электрон имеет самую низкую массу среди лептонов, несущих заряд. Он принадлежит к первому поколению лептонов. Второе и третье поколения – мюон и тауон. Эти две частицы имеют одинаковые с электроном заряды и спин, но отличаются от него большей массой.

Лептоны отличаются от других фундаментальных частиц, таких как кварки, отсутствием сильного взаимодействия. Все лептоны принадлежат к семейству фермионов, поэтому электрон имеет собственный вращательный момент ( спин ) s = ½ в единицах ℏ, где ℏ – приведённая постоянная Планка).

« Как и любая заряженная частица со спином, электрон обладает магнитным моментом, причём магнитный момент делится на нормальную часть и аномальный магнитный момент (добавка примерно 0,116 %). Магнитный момент электрона μ_e = -9,2847647043(28)⋅10−24 Дж/Тл. »

Википедия

Атомы и молекулы.

Электроны связаны с ядрами атомов “притягивающей” кулоновской силой. Такой состав из атомного ядра и одного или нескольких электронов называется атомом. Электроны движутся вокруг ядра атома. Если число электронов отличается от заряда ядра, то это ион.

Волновая природа связанных электронов описывается атомными орбиталями. Каждая из этих орбиталей имеет ряд квантовых чисел, таких как энергия и момент. Кроме того, у атома может быть только дискретное число орбиталей. В силу принципа Паули на орбитали может находиться максимум два электрона, спин которых имеет разные знаки.

Электроны находятся в оболочке атома, протоны – в атомном ядре

Химическая связь между атомами возникает благодаря электромагнитным взаимодействиям, которые описываются с помощью квантовой физики. Самые прочные связи создаются путем обмена или передачи электронов. Это позволяет образовывать молекулы. В молекулах электроны движутся аналогично атомам и занимают молекулярные орбитали. Однако фундаментальным отличием является образование пар электронов с разными спинами. Это позволяет нескольким электронам занимать одну орбиталь без нарушения принципа Паули.

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Свойства электрона

Электрон характеризуется и другими важными свойствами, помимо спина и магнитного момента. Рассмотрим их.

Масса электрона

Электроны очень малы. Масса электрона составляет m_e = 9,109 • 10 -31 кг или 5, 489 • 10 -4 атомных единиц массы (а. е. м). Эта масса примерно в 3700 раз меньше массы молекулы водорода, которая является самой маленькой из всех молекул. Из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт).

Отношение массы протона к массе электрона равно 1836, то есть протон в 1836 раз “тяжелее” электрона.

Заряд электрона

Электрический заряд – одно из основных свойств электрона. Невозможно представить, что с электронов можно снять заряд. Они неотделимы друг от друга.

Электрический заряд – это физическая величина. Она обозначается буквой q. Единицей электрического заряда является кулон (Кл). Эта единица названа в честь французского физика Шарля Кулона. Электрон – это частица с наименьшим отрицательным зарядом. Его заряд равен e₀ = – 1,6 • 10 -19 Кл.

Модуль заряда электрона назвали элементарным электрическим зарядом. Его обозначают е. Измерения показали, что e = 1,6 • 10 19 Кл.

Обратите внимание, что любой, даже самый малый, заряд тела содержит целое число элементарных зарядов. Так как заряд тела обозначается буквой q, то получаем: q = eN, где N – целое число (N = 1, 2, 3, … ).

Элементарный заряд может показаться очень малым, однако вспомним: в любом теле, видимом невооружённым глазом, содержится невообразимо большое число заряженных частиц. Так, суммарный заряд электронов в одной столовой ложке воды равен по модулю примерно миллиону кулонов (а вы уже знаете, как велик заряд всего в 1 Кл).

Важно! Термин элементарный заряд был придуман, когда предположили, что этот заряд является наименьшим электрическим зарядом в природе. Сегодня мы знаем, что 1/3 элементарного заряда также приходится на кварки.

Энергия покоя электрона

Энергия электрона рассчитывается из эквивалентности массы и энергии. Вы знаете это как формулу из теории относительности E=mc 2 . E означает энергию, m – массу, а c – скорость света. Как было уже сказано выше в этой статье: “из-за эквивалентности массы и энергии в соответствии с принципом относительности это приводит к энергии покоя 0,511 МэВ (мегаэлектронвольт)”.

В формуле это можно рассчитать следующим образом: E = m_ec 2 = 9,109 • 10 -31 • (3 • 10 8 ) 2 = 8,2 • 10 -14 Дж = 0,511 • 10 6 эВ ≈ 0,511 МэВ

Строение атома и электронные конфигурации 1.0

Атом можно представить как конструктор «Лего», который можно собрать из более простых “элементарных” частиц. У каждого атома число “деталек” может быть различным. Об этом и о других особенностях строения атома поговорим в статье.

Строение атома

Великие ученые и философы древности упорно бились над вопросом, из чего же состоят вещества, которые их окружают. Впервые идею о том, что все тела живой и неживой природы состоят из мельчайших частиц — атомов — высказал древнегреческий ученый Демокрит целых 2500 лет назад!

Что же из себя представляет атом?

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Атомы могут соединяться друг с другом с помощью химических связей в различной последовательности, образуя более сложные частицы — молекулы. Можно провести аналогию:

• атом — отдельный человек,
• молекулы — группы людей, объединенные общим признаком (семья, одноклассники, коллеги, любители кошек, любители собак).

Молекула — это мельчайшие частицы, которые состоят из атомов. Они являются химически делимыми.

Долгое время считалось, что атом нельзя разделить далее на составляющие. Но с развитием науки учёные-физики выяснили, что атом состоит из более мелких, или элементарных частиц — протонов (p), нейтронов (n) и электронов (ē).

В центре атома располагается ядро, которое состоит из протонов и нейтронов (их общее название нуклоны), а вокруг ядра вращаются электроны.

Чем атом похож на Солнечную систему? Можно представить атом как Солнечную систему, где вокруг ядра (Солнца) по орбитам вращаются электроны (планеты). Это так называемая планетарная модель атома. В реальности атом намного сложнее, но для запоминания нам удобнее пользоваться этими представлениями.

Тогда более точно определение атома будет звучать так:

Атом — электронейтральная химически неделимая частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Каждая из элементарных частиц в атоме имеет свой заряд и массу:

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

(№ элемента = p = Z = ē)

Число нейтронов = массовое число – порядковый номер

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

• Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
• На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
• Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
• Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
• Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Проскок электрона

Это явление характерно для элементов IB и VIB групп, например, Cr, Cu, Ag.

Например, у меди электронная оболочка должна выглядеть как ..3d 9 4s 2 . Но так как для заполнения d-подуровня не хватает одного электрона, то более выгодной становится ситуация, когда с s-подуровня электрон “перепрыгивает” на внутренний d-подуровень. В результате, конфигурация меди выглядит как 3d 10 4s 11

Итог: иметь конфигурации nd 5 и nd 10 более энергетически выгодно, чем nd 4 и nd 9 . Поэтому у таких элементов, как Cu, Cr, Ag, Au, Nb, Mo, Ru, Pt, Pd происходит проскок (провал) электрона: электрон с верхнего “этажа” как будто проваливается на нижний.

Классификация химических элементов: s-,p-,d-,f-элементы

В зависимости от положения “последнего электрона” бывают s-, p-, d-, f-элементы:

• s-элементы: IA и IIA группы;
• p-элементы: IIIA-VIIIA группы;
• d-элементы: элементы побочных подгрупп;
• f-элементы: вынесены в отдельную группу лантаноидов и актиноидов.

У s- и p-элементов валентные электроны находятся на внешнем уровне.

У d-элементов — на внешнем s- и на предвнешнем d-подуровнях.

Далее приведены электронные формулы атомов элементов первых четырех периодов. Благодаря этой шпаргалке всегда можно сверить свой вариант электронной конфигурации и проверить себя.

Продолжение темы читайте в статье «Строение атома и электронные конфигурации 2.0».

Фактчек

• Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и вращающихся вокруг него электронов.
• Электроны располагаются на электронных подуровнях, причем их число определяется порядковым номером элемента.
• Существует группа атомов одного и того же химического элемента, у которых имеется разное число нейтронов. Такие элементы называют изотопами.
• Электроны располагаются по ячейкам так, чтобы энергия системы была минимальна.
• Иногда для достижения минимума энергии некоторые правила нарушаются — таковым является проскок электрона.

Проверь себя

Задание 1.

Ядро атома состоит из:

1. Протонов и нейтронов
2. Протонов и электронов
3. Нейтронов и электронов
4. Протонов, нейтронов и электронов

Задание 2.

У изотопов различается число:

1. Протонов
2. Нейтронов
3. Электронов
4. Нейтронов и электронов

Задание 3.

Проскок электрона характерен для элемента:

1. Натрия
2. Алюминия
3. Ксенона
4. Меди

Задание 4.

На третьем электронном слое может находиться максимально:

1. 8 электронов
2. 18 электронов
3. 2 электрона
4. 32 электрона

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 2.