Атомная масса — одно из самых фундаментальных понятий в химии и физике. Она важна для определения массы отдельных атомов и химических элементов. Однако, удивительным образом, атомная масса часто является дробным числом. Почему же так происходит?
Ответ на этот вопрос лежит в самой природе атомов и их строении. Атом состоит из ядра, в котором находятся протоны и нейтроны, и электронной оболочки, в которой движутся электроны. Протоны и нейтроны имеют массу, в то время как электроны являются практически массово-безразмерными в сравнении с нейтронами и протонами. Когда мы рассчитываем атомную массу, мы учитываем массу протонов и нейтронов, но относительно небольшие массы электронов не включаются в этот расчет.
Таким образом, атомная масса представляет собой среднюю массу атомов взятых из образуемого вещества. Поскольку разные атомы могут иметь разное количество нейтронов в их ядрах, а следовательно — различные массы, их среднее значение округляется до десятков, чтобы уменьшить комплексность измерений и облегчить работу химиков и физиков.
Распределение масс в атоме
Каждый протон и нейтрон имеют примерно одинаковую массу, которая называется атомной массой. Однако атомная масса измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.) и является относительной величиной. Атомная единица массы равна одной двенадцатой массы атома углерода-12, которая составляет приблизительно 1,66 x 10-27 килограмма.
Атомная масса атома, выраженная в атомных единицах массы, является средней массой атома данного химического элемента, усредненной по изотопам, которые обладают разными числами нейтронов в ядре. Поэтому атомные массы химических элементов, приведенные в таблицах, являются средними значениями для всех изотопов данного элемента, учитывая их относительное обилие в природе.
Таким образом, атомная масса дробная, потому что она усредненная величина, которая учитывает различия в массе изотопов элемента и их относительное обилие в природе.
Изотопы элементов
Атомная масса элемента определяется усреднением массы его изотопов, причем массы изотопов учитываются с учетом их относительного содержания в природе. Например, углерод имеет три изотопа: ^12C, ^13C и ^14C. Самое распространенное является ядро ^12C, которое составляет около 98,93% от всего углерода на Земле. Остальные два изотопа встречаются в крайне малом количестве. Атомная масса углерода указывается как 12,01, так как она усреднена между массами всех трех изотопов.
Изотопы элементов имеют важное значение в науке и технологии. Некоторые изотопы используются в медицине для диагностики и лечения заболеваний, например, радиоизотопы используются в радиологии. Также, изотопы используются для радиоуглеродного датирования археологических находок и геологических образцов.
Изучение изотопов элементов также позволяет углубить понимание фундаментальных процессов, происходящих в природе, а также взаимодействия химических элементов в различных системах.
Многочастичная структура ядра
Протоны и нейтроны являются фермионами, частицами, которые подчиняются принципу Паули. Согласно этому принципу, никакие два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии одновременно.
Из-за этого принципа Паули между нуклонами существует сильное отталкивание, которое возникает из-за совпадения их внутренних квантовых состояний. Таким образом, нуклоны в ядре стремятся разделяться друг от друга и занимать разные энергетические состояния.
Это приводит к тому, что ядро атома обычно содержит нецелое количество протонов и нейтронов. Количество нуклонов в ядре определяет его атомную массу, и поэтому атомная масса является дробной.