Песочница · имитация в реальном времени
Добавьте протон — и измените элемент. Добавьте нейтрон — и измените изотоп. Добавьте электрон — и получите ион. Всё ниже обновляется сразу после этого.
перетаскивайте для вращения · прокручивайте для масштабирования
ПЕРЕЙТИ К
РЕЖИМ ИСПЫТАНИЙ
Режим испытаний выключен.
Включите режим для двенадцати задач на создание нуклидов.
Что вы видите
Число протонов — атомный номер Z — определяет элемент. Шесть протонов — это углерод, и ничто другое не может быть углеродом. Измените Z — и превратите один элемент в другой: именно этого хотели алхимики и именно это делают ядерные реакторы.
Нейтроны увеличивают массу и, что особенно важно, ослабляют электростатическое отталкивание между протонами. Если их слишком мало или слишком много, ядро распадается. Тот же элемент, другое число нейтронов — это другой изотоп: углерод-12 стабилен навсегда, а период полураспада углерода-14 составляет 5 730 лет.
Химия — это целиком история об электронах. Удалите один — и получите положительный катион; добавьте один — и получите отрицательный анион. Атомы приобретают, теряют и разделяют электроны, чтобы заполнить внешнюю оболочку; это единственное стремление объясняет почти каждую реакцию, которую вам когда-либо придётся изучать.
Вердикт о стабильности
Если нанести каждый известный нуклид на график, где по одной оси находятся протоны, а по другой — нейтроны, стабильные нуклиды образуют узкую изогнутую полосу — долину стабильности. Лёгкие элементы находятся рядом с N = Z. При росте Z протоны сильнее отталкиваются друг от друга, и ядру требуется пропорционально больше нейтронов, чтобы оставаться связанным; поэтому полоса изгибается вверх в направлении N ≈ 1.5 Z.
Если нуклид находится выше полосы, он богат нейтронами: нейтрон превращается в протон, и нуклид испускает электрон (β⁻-распад). Если он находится ниже, то богат протонами: протон превращается в нейтрон, и нуклид испускает позитрон (β⁺-распад). После висмута (Z = 83) долина просто заканчивается — никакое расположение нейтронов не может удерживать столько протонов вместе бесконечно.
Нейтроны (вертикально) и протоны (горизонтально) · ваша сборка отмечена
Частые вопросы
Изотоп отличается числом нейтронов: тот же элемент, другая масса, та же химия. Ион отличается числом электронов: тот же элемент, та же масса, но совершенно иная химия. Углерод-12 и углерод-14 — изотопы одного элемента; Na и Na⁺ — атом и его ион. Если изменить число протонов, элемент изменится полностью.
Классическая физика утверждает, что движущийся по орбите заряд излучает энергию и должен разрушиться примерно за 10⁻¹¹ секунды. Но этого не происходит, и именно эта неудача привела к возникновению квантовой механики. Электрон в атоме вообще не движется по орбите: он занимает стоячую волну с фиксированной минимальной энергией. Более низкого состояния, в которое он мог бы упасть, не существует. Изображённые здесь кольца — лишь условное представление: просмотрщик орбиталей на странице любого элемента показывает настоящее вероятностное облако.
Оболочка n вмещает не более 2n² электронов: 2, 8, 18, 32 и так далее. Но оболочки заполняются не строго по порядку — 4s заполняется раньше 3d, потому что имеет меньшую энергию; это правило Маделунга, которому следует данный конструктор. Именно этот порядок объясняет, почему переходные металлы образуют блок в середине периодической таблицы.
Железо-56 (и никель-62) находятся на вершине кривой энергии связи на нуклон. Слияние любых более лёгких ядер высвобождает энергию; деление любых более тяжёлых ядер также высвобождает энергию; железо не делает ни того, ни другого. Поэтому термоядерный синтез в массивной звезде останавливается на железе, после чего ядро коллапсирует, а каждый элемент тяжелее железа в вашем организме образовался в сверхновой или при столкновении нейтронных звёзд, а не в результате обычного звёздного горения.
Пока нет — ни здесь, ни в лаборатории. Этот конструктор останавливается на 118, потому что на этом сейчас заканчивается периодическая таблица. Уже более десяти лет команды в Японии, России и США обстреливают мишени из актиноидов, пытаясь получить 119-й и 120-й элементы; ядра распадаются быстрее, чем любой детектор успевает их зарегистрировать.