Что входит в состав атома: Из чего состоят атомы? — «Как и Почему»

Строение атома. Состав атомных ядер. Изотопы. Химический элемент

С помощью данного урока вы узнаете, из чего состоит атом, а также познакомитесь с историей появления и развития представлений о сложном строении атома. На уроке рассматриваются результаты некоторых физических опытов, которые позволили установить состав и строение атома.

I. Атом: термин и эволюция понятия

Идея о том, что все вещества состоят из мелких, невидимых частиц возникла у людей еще до нашей эры в Древней Индии и Древней Греции. Известный греческий философ Демокрит, будучи одним из первых материалистов, впервые ввел термин «атом» (от греч.atomos- неделимый). Последователь идей Демокрита, Эпикур (341-270 г. до н.э.) впервые высказал предположение об атомном весе.

Согласно его теории атом — неделимая частица, которая существует вечно. По теории Демокрита:

• все тела состоят из бесчисленного количества сверхмалых, невидимых глазом, неделимых частиц-атомов;
• атомы непрерывно двигаются в пустоте;
• атомы никто  не создавал, они были всегда;
• никто не может уничтожить атомы;
• атомы материальны: имеют вес, размеры, форму;
• одни атомы имеют крючочки, другие петельки с помощью которых соединяются друг с другом.

Дальнейшее развитие атомизм, как теория, получил в философии и науке Средних веков и Нового времени. В середине XVII в. французский философ и физик Пьер Гассенди (1592—1655) заново пересказал учение Демокрита и Эпикура, дополнив его новым понятием «молекула» для обозначения различного сочетания атомов друг с другом. 

Р. Бойль (1627-1691 г.г.) написал знаменитую книгу «Химик-скептик», в которой доказал нереальность «начал» Аристотеля и ввел представление о химических элементах как о веществах, не поддающихся дальнейшему разложению. Определив задачей химии изучение элементов и их соединений. Р. Бойль поставил ее на научную основу.

Далее атомистическая теория получила свое логическое развитие в работах Ломоносова, Лавуазье, Дальтона и оформилась в атомно-молекулярное учение.

II. Модель Дж. Томсона («сливовый пудинг» или «булочка с изюмом»). Открытие электрона

До 1897 г атом считался мельчайшей неделимой частицей (элементарной). Именно этот год считается датой открытия электрона, первой субатомной частицы. Во второй половине 19 в. многие физики занимались исследованием так называемых  «катодных лучей» — лучей, исходящих с поверхности катода при пропускании электрического разряда между катодом и анодом в стеклянной трубке с сильно разреженным газом.

В своих опытах по отклонению катодных лучей в электрических и магнитных полях, Томсон убедительно показал, что эти лучи представляют собой поток заряженных частиц, а самое главное, ему удалось измерить удельный заряд (e/m) этих частиц. (Он оказался примерно в 2000 раз меньше удельного заряда иона водорода, известного из опытов по электролизу.) Томсон сразу же предположил, что электроны входят в состав атомов – откуда еще им было взяться? Дальнейшие работы ученых-физиков подтвердили это предположение. Таким образом, к концу 19 века электрон считался элементарной заряженной частицей, масса которой в 2000 раз меньше массы атома водорода.

После открытия электрона Томпсон предложил модель строения атома, которую обычно называют «сливовый пудинг» (или «пудинг с изюмом») или на русский манер «булочка с изюмом». Согласно Томпсону атом представляет собой положительно заряженную сферу, в которую вкраплены (как изюм в булочке) отрицательно заряженные электроны. Однако, эта модель была опровергнута опытом Резерфорда.

Так по­яви­лась одна из пер­вых мо­де­лей стро­е­ния атома, ко­то­рую пред­ло­жил ан­глий­ский физик Джо­зеф Том­сон (Рис. 1). В со­от­вет­ствии с этой мо­де­лью, атом пред­став­ля­ет собой шар, со­сто­я­щий из по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­но­го ве­ще­ства с вкрап­ле­ни­я­ми от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ных элек­тро­нов (на­по­до­бие изюма в биск­ви­те).

Рис. 1. Мо­дель стро­е­ния атома, пред­ло­жен­ная Дж. Том­со­ном

Осо­бен­ность мо­де­ли Том­со­на за­клю­ча­лась в пред­по­ло­же­нии того, что по­ло­жи­тель­ный заряд «раз­мыт» внут­ри атома и не «вы­ле­та­ет» из него, т. к. об­ла­да­ет зна­чи­тель­но боль­шей мас­сой по срав­не­нию с элек­тро­на­ми.

III. Модель Э. Резерфорда

Сле­ду­ю­щим уди­ви­тель­ным экс­пе­ри­мен­таль­ным фак­том было от­кры­тие Бек­ке­ре­лем в 1896 г. яв­ле­ния ра­дио­ак­тив­но­сти. Было об­на­ру­же­но, что атомы неко­то­рых эле­мен­тов са­мо­про­из­воль­но рас­па­да­ют­ся с об­ра­зо­ва­ни­ем новых ато­мов, элек­тро­нов и α-ча­стиц. Также уста­но­ви­ли, что α-ча­сти­цы имеют по­ло­жи­тель­ный заряд и от­но­си­тель­но боль­шую массу.

В 1911 г англ. учёный Э. Резерфорд доказал  нa опыте, что в центре атома имеется положительно заряженное ядро. 

Например, модель атома азота

С по­мо­щью α-ча­стиц Эр­нест Ре­зер­форд и его уче­ни­ки про­ве­ли экс­пе­ри­мент, ре­зуль­та­ты ко­то­ро­го опро­верг­ли мо­дель стро­е­ния атома Дж. Том­со­на. Ан­гли­ча­нин Эр­нест Ре­зер­форд и его уче­ни­ки по­ста­ви­ли сле­ду­ю­щий экс­пе­ри­мент: на­прав­ля­ли быст­рый поток α-ча­стиц на тон­кую зо­ло­тую фоль­гу. Ока­за­лось, что боль­шин­ство α-ча­стиц про­хо­дит через фоль­гу бес­пре­пят­ствен­но, неболь­шая часть от­кло­ня­ет­ся на раз­лич­ные углы, а при­мер­но 1 на 10 000 ча­стиц от­ска­ки­ва­ет в об­рат­ном на­прав­ле­нии (Рис. 2).

Рис. 2. Схема опыта Э. Ре­зер­фор­да

Ре­зуль­та­ты опыта про­ти­во­ре­чи­ли мо­де­ли Том­со­на. Ча­сти­ца с боль­шой мас­сой и по­ло­жи­тель­ным за­ря­дом может от­ско­чить назад, если толь­ко встре­тит в ка­че­стве пре­пят­ствия боль­шой по­ло­жи­тель­ный заряд, скон­цен­три­ро­ван­ный в одном месте.

По­ло­жи­тель­ный заряд, скон­цен­три­ро­ван­ный в цен­тре атома, Ре­зер­форд на­звал ядром и пред­ло­жил свою мо­дель стро­е­ния атома: в цен­тре атома на­хо­дит­ся по­ло­жи­тель­но за­ря­жен­ное ядро, во­круг ко­то­ро­го вра­ща­ют­ся от­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ные элек­тро­ны (Рис.3). При этом ос­нов­ная масса атома со­сре­до­то­че­на в ядре, масса элек­тро­нов очень мала.

Сум­мар­ный заряд ядра и элек­тро­нов дол­жен быть равен нулю, т. к. атом в целом элек­тро­ней­тра­лен.

Мо­дель Ре­зер­фор­да на­по­ми­на­ет Сол­неч­ную си­сте­му, по­это­му ее на­зва­ли «пла­не­тар­ной».

Рис. 3. Пла­не­тар­ная мо­дель атома, пред­ло­жен­ная Ре­зер­фор­дом

III. Модель Бора (планетарная модель)

В 1913 Нильсом Бором была предложена модель строения атома, известная как «планетарная модель».  По Бору электроны вращаются по орбитам расположены на строго определенном удалении от атомного ядра, точно также как планеты Солнечной системы вращаются вокруг солнца (отсюда и название модели). Эти орбиты (сейчас всем известны как энергетические уровни)- стационарные и вне их электрон существовать не может. К сожалению, объяснить это утверждение Бору на тот момент не удалось. Кроме того, предложенная модель Бора противоречила законам физики:

В начале прошлого века на смену планетарной модели строения атома пришла волновая модель, которая разрешила возникшие противоречия и  на сегодняшний момент считается общепринятой.

Современное представление о строении атома было бы невозможно без открытия явления радиоактивности, элементарных частиц (электрона, протона и нейтрона). Решающий вклад в установлении строения атома внесли Дальтон, Дж.Дж. Томпсон (или Томсон), Э. Резерфорд, Н. Бор, Э. Шредингер, М. Планк, Люис, Паули.

История развития представлений о строении атома условно изображена на схеме ниже:

IV. Современное строение атома

Атом — электронейтрален, то есть количество положительно заряженных частиц в нем равно количеству отрицательно заряженных частиц.

Долгое время считалось, что протоны и нейтроны являются элементарными (то есть неделимыми) частицами. Но на сегодняшний момент признано, что они имеют сложное строение и состоят из кварков. Электрон же до сих пор считается элементарной частицей. Положительно и нейтрально заряженные частицы (протоны и нейтроны, соответственно) сосредоточены в ядре, чья масса составляет около 99,97% от массы атома. Радиус атома, как правило, составляет несколько ангстрем (10−10 м), радиус ядра в 10 000 раз меньше радиуса атома.

Ядро — самая тяжелая и самая маленькая часть атома.

Заряд ядра равен порядковому номеру химического элемента

Из курса физики вам известно, что вокруг положительного ядра находятся отрицательно заряженные частицы электроны — е^— . В электронейтральном атоме число электронов должно быть равно заряду ядра и, следовательно, порядковому номеру элемента. Масса электрона очень мала и принимается равной нулю, таким образом, масса атома сосредоточена в ядре, в котором расположены протоны – p⁺ и нейтроны – n⁰.

Например, определите состав атома бора?

Бор

N (порядковый номер) – 5

Ar(B) = 11

e^—=5

p⁺=5

n⁰= 11 – 5 = 6

Например:

1. Изотопы хлора
2. Изотопы природного водорода: Протий ₁¹ H, Дейтерий ₁²Н, Тритий ₁³Н
3. Модели изотопов водорода

Изотопы одного и того же химического элемента имеют разную массу, так как в ядрах содержится разное количество нейтронов.

Задача:

Какое количество электронов, протонов и нейтронов содержится в изотопах углерода 12 и 13?

Решение:

Дано: ₆¹²C и ₆¹³C

Для изотопа углерода 12:  

_Z→6^A→12C , порядковый номер N=6, массовое число  A=12

N=N(e¯)=N(p^+)=6 

N(n⁰) = A — Z = 12 — 6 = 6

Углерод-12 содержит 6 электронов, 6 протонов и 6 нейтронов

Для изотопа углерода 13:

_Z→6^A→13C, порядковый номер N=6, массовое число  A=13

N=N(e¯)=N(p^+)=6 

N(n⁰) = A — Z = 13 — 6 = 7

Углерод-13 содержит 6 электронов, 6 протонов и 7 нейтронов

V. Химический элемент

Химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

В природе химические элементы существуют в виде смесей изотопов. Изотопный состав одного и того же химического элемента выражают в атомных долях (ω_ат.), которые указывают какую часть составляет число атомов данного изотопа от общего числа атомов всех изотопов данного элемента, принятого за единицу или 100%.

Например:

ω_ат (³⁵Сl) = 0,754 или 75,4%

ω_ат (³⁷Сl) = 0,246 или 24,6%

В таблице Менделеева приведены средние значения относительных атомных масс химических элементов с учётом их изотопного состава. Поэтому A_r , указанные в таблице являются дробными.

Ar _{средняя}=  ω_ат.(1) ∙ Ar₍₁₎  + … +  ω_ат.(n) ∙ Ar_(n)

Например:  

Ar^{_{средняя}} (Cl) = 0,754 ∙ 35 + 0,246 ∙ 37 = 35,453

VI. Задания для закрепления

Задание №1. Определите атомный состав изотопов хлора ³⁵Cl и ³⁷Сl. Почему изотопы хлора имеют разное массовое число?

Задание №2. Определите относительную атомную массу элемента кремния, если известно, что он состоит из трёх изотопов: ²⁸Si (атомная доля 92,3%), ²⁹Si (4,7%), ³⁰Si (3%).

ЦОРы

Видео: “Строение атома”

Атомы. Состав и строение атомов: протоны, нейтроны и электроны

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества, а также наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Химически неделимая означает, что атом в ходе химических реакций не делится на более мелкие части.

Атомы очень маленькие частицы, их размер находится в диапазоне от одного до пяти ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10^–10 метра.

Состав и строение атомов

Атомы состоят из ещё более мелких частиц.

В центре любого атома находится положительно заряженное ядро. В пространстве вокруг ядра находятся отрицательно заряженные частицы — электроны, которые образуют так называемое электронное облако. Таким образом, атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающего его отрицательно заряженного электронного облака.

Пример. Атом гелия состоит из ядра, в котором находятся два протона и два нейтрона, и двух электронов:

Ядро атома — это центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса и весь положительный электрический заряд. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.

Протон — это частица, которая имеет положительный электрический заряд. Заряд протона в условных единицах равен +1. Символ протона — p⁺.

Нейтрон — это частица, не имеющая электрического заряда. Заряд нейтрона равен 0. Символ нейтрона — n⁰.

Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны.

Ядра атомов имеют положительный заряд, так как состоят из протонов с положительным зарядом и нейтронов. По величине заряд равен количеству протонов в ядре и совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.

Электрон — это частица, которая имеет отрицательный электрический заряд. Заряд электрона в условных единицах равен -1. Символ электрона — e .

Протоны, нейтроны и электроны имеют общее название — элементарные частицы или субатомные частицы.

Заряд протона и электрона одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Любой атом содержит равное число протонов и электронов, значит заряд ядра и суммарный заряд всех электронов атома одинаковы по величине, но противоположны по знаку. Следовательно, атомы являются электронейтральными частицами.

Состав и строение атома

Краткосрочный план урока № 19 по предмету «Химия» в 8 классе

Дата:

Тема занятия:

Состав и строение атома

Ссылка:

Учебная программа, среднесрочное планирование

Общие цели:

Сформировать у учащихся представлении о составе и строении атома, через работу с текстом, презентацией, путем развития умений выбирать главное, анализировать, делать выводы

Результаты обучения:

Будут уметь определять заряд ядра и электронов; определять состав атомных ядер; будут знать разновидности нуклидов

Ключевые идеи:

Вовлечение всех учащихся в процесс обучения данному разделу через развитие речи, ведения диалогической и исследовательской беседы, памяти, мышления, анализа и сравнения на основе идей 7 модулей Программы

Ресурсы:

Учебник, интерактивная доска, презентация

Содержание урока

Деятельность учителя

Деятельность учеников

Организационный момент

(3 мин)

Психологический настрой Приветствие «Здравствуйте!»

Деление на группы по

С интересом здороваются с соседом справа и слева в любой форме

Делятся на группы, рассаживаются

Побуждение

(5 мин)

Стратегия «Ассоциативная карта» к слову атом (ОКМ, УВО, НП)

Каждый ученик называет по 1 ассоциации. которая у них возникает к слову АТОМ

Определение целей и задач урока

(3 мин)

Называю тему урока и предлагаю подумать ребятам над целью:

что нового должны узнать?

чему вы сегодня должны научиться?

как будете работать?

Записывают число и тему урока в тетради, работая в группе ставят цель, отвечая на предложенные учителем вопросы

Реализация

(23 мин)

Стратегия «Insert» (НП, ОКМ, УВО, ИКТ)

Ваша задача внимательно прочитать текст

Сделать пометки

˅ — это я знал раньше

— — не согласен, думал по-другому

+ — новое, интересное

? — удивило, требует разъяснений

3) заполняют таблицу

˅

—

+

?

Выступление по опережающему заданию (ИКТ)

Задание ученикам: составьте по 5 вопросов прослушав материал, подготовленный одноклассником

Внимательно читают текст раздаточного материала, делают пометки, заполняют таблицу

Далее обсуждение в группе, что совпало, затем в классе обсуждение

1 ученик выступает с презентацией на тему «Планетарная модель атома»

Класс составляет по 5 вопросом

Физминутка

(3 мин)

Бананы

С удовольствием выполняют упражнения

Рефлексия

(5 мин)

Стратегия «Круглый стол» (ОКМ, УВО, НП, УиЛ, ТиО)

Записывают на листах формата А4 фразы по теме урока (закрыв тетради и учебники). В группе делают записи фломастером разного цвета (каждый ученик своим цветом), фразы не должны повторяться

Домашнее задание

(2 мин)

§53 №2, 3

§54 №2, 4

Запишите дату и тему урока: «Состав и строение атома»

Отрицательный заряд электрона – наименьший (принят за единицу). Так как атом в целом электронейтрален, то, следовательно, число электронов, движущихся вокруг ядра атома, должно быть равно порядковому номеру элемента. Например, порядковый номер элемента калия 19, следовательно, заряд ядра его атома +19. Вокруг ядра атома калия размещаются 19 электронов с общим отрицательным зарядом -19.

Так был открыт физический смысл порядкового номера элемента: «Порядковый номер химического элемента совпадает с зарядом ядра его атома».

Определите по ПСХЭ заряд ядра и число электронов в атомах элементов:

1. Кислорода

2. Алюминия

Атомы очень малы – их размеры порядка 10^–10–10^–9 м, а размеры ядра еще примерно в 100 000 раз меньше (10^–15–10^–14 м). Поэтому атомы можно «увидеть» только косвенным путем, на изображении с очень большим увеличением.

Дальнейшие исследования показали, что ядро атома имеет сложное строение. В состав атомного ядра входят такие частицы как протоны и нейтроны.

Протон () – это частица с зарядом +1 и относительной атомной массой, равной 1 (упрощенная запись — р). Число протонов в ядре равно заряду атома элемента и его порядковому номеру (Z).

Нейтрон () – частица с массой, равной 1, но не имеющая заряда (упрощенная запись — n). Число протонов и нейтронов в составе различных атомов различно.

Электрон – отрицательно заряженная элементарная частица

Практически вся масса атома сосредоточена в ядре, находящемся в его центре. Относительная атомная масса элемента численно равна сумме масс протонов и нейтронов:

Ar=Z+N,

где Z – сумма масс всех протонов, численно равная порядковому номеру;

N – сумма масс всех нейтронов, числено равная количеству нейтронов в атоме.

По их относительной атомной массе (Ar) и порядковому номеру (Z) можно рассчитать число нейтронов (N) следующим образом:

N=Ar-Z

Кратко состав атомов кислорода записывается так:

Итак, давайте, теперь схематично изобразим, строение атома:

В результате экспериментальных исследований было установлено, что, например, в природном кислороде, кроме атомов кислорода с массой 16, имеются также атомы кислорода с массой 17 и 18. В ядре атома кислорода с массой 16 содержится 8 протонов, а число нейтронов равно:

N=Ar-Z=16-8=8

В ядре атома кислорода с массой 17 содержится 8 протонов и (17-8)=9 нейтронов, а в ядре атома с массой 18 находится 8 протонов и (18-8)=10 нейтронов.

Оказалось, что и другие элементы состоят из атомов с различной массой. Так, например, в природной воде, кроме атомов водорода массой 1, имеются также атомы с массой 2 и 3.

Разновидность атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре, но разную массу, называют изотопами

Изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов и проявляют одинаковые химические свойства.

Лишь в тех случаях, когда различие в массах ядер изотопов очень велико различия в свойствах делаются заметными.

Изотоп в переводе с греческого языка означает «занимающий одно и то же место».

Для обозначения изотопов пользуются символами соответствующих элементов, добавляя слева вверху индекс, указывающий относительную атомную массу. Например, обозначение изотопов кислорода: атомы , , , имеющие один и тот же заряд ядра, — это изотопы кислорода, а атомы , , — изотопы водорода. Легкий изотоп водорода называется протием, изотоп — дейтерием (D), изотоп — тритием (Т).

Модели атомов водорода вы можете наблюдать на рисунке

Модели атомов водорода

Протий (Н) Дейтерий (D) Тритий (T)

Условные обозначения

электрон протон нейтрон

Любой химический элемент – это совокупность изотопов обладающих одинаковым зарядом ядра. Исходя из этого, можно дать следующее определение химического элемента: вид атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом.

Порядковый номер кислорода равен 8, заряд ядра его атома равен +8, вокруг ядра его атома движутся 8 электронов с отрицательным зарядом равным -8.

Порядковый номер алюминия равен 13, заряд ядра его атома равен +13, вокруг ядра его атома движутся 13 электронов с отрицательным зарядом равным -13.

Задание: записать строение атома фтора, брома, калия, магния, серы, углерода, мышьяка

Какие частицы входят в состав атома 🚩 в состав ядра входят 🚩 Естественные науки

Опыты великого ученого, «отца» современной ядерной физики, помогли создать планетарную модель атома. Согласно ей, атом представляет собой ядро, вокруг которого по орбитам вращаются электроны. Датский физик Нильс Бор немного доработал эту модель в рамках квантовых представлений. Получается, что электрон — одна из частиц, входящих в состав атома.

Эта частица была открыта Дж.Дж. Томсоном (лордом Кельвином) в 1897 году в опытах с катодными лучами. Великий ученый обнаружил, что при прохождении электрического тока через емкость с газом в нем образуются отрицательно заряженные частицы, впоследствии названные электронами.

Электрон — самая маленькая частица, имеющая отрицательный заряд. Это делает его стабильным (время жизни порядка иотта лет). Его состояние описывается несколькими квантовыми числами Электрон обладает собственным механическим моментом — спином, который может принимать значения +1/2 и -1/2 (спиновое квантовое число). Наличие спина было подтверждено в опытах Уленбека и Гаудсмита.

Эта частица подчиняются принципу Паули, согласно которому два электрона не могут иметь одни и те же квантовые числа в одно и то же время, то есть не могут одновременно находиться в одинаковых квантовых состояниях. По этому принципу заполняются электронные орбитали атомов.

Ядро, согласно принятой планетарной модели, состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы имеют почти одинаковую массу, но у протона положительный заряд, нейтрон же его вообще не имеет.

Протон был открыт Эрнестом Резерфордом в результате его опытов с альфа-частицами, которыми он бомбардировал атомы золота. Была подсчитана масса протона. Она оказалась почти в 2000 раз больше массы электрона. Протон — самая стабильная частица во Вселенной. Ученые считают, что время ее жизни приближается к бесконечности.

Гипотеза о существовании нейтрона была высказана еще Резерфордом, но экспериментально подтвердить ее он не смог. Это было сделано Дж. Чедвиком в 1932 году. Нейтрон «живет» около 900 секунд. Через это время нейтрон распадется на протон, электрон и электронное нейтрино. Он способен вызывать ядерные реакции, так как легко может проникнуть в ядро, минуя действие сил электростатического взаимодействия, и вызвать его деление.

И протон, и нейтрон не являются целостными частицами. Согласно современным представлениям, они состоят из групп кварков, которые связывают их в ядре. Именно кварки осуществляют сильное и ядерное взаимодействие между составляющими ядра.

Состав атомных ядер

К 20-м годам XX века физики уже не сомневались в том, что атомные ядра, открытые Э. Резерфордом в 1911 г., также как и сами атомы, имеют сложную структуру. В этом их убеждали многочисленные экспериментальные факты, накопленные к этому времени: открытие радиоактивности, экспериментальное доказательство ядерной модели атома, измерение отношения e / m для электрона, α-частицы и для так называемой H-частицы – ядра атома водорода, открытие искусственной радиоактивности и ядерных реакций, измерение зарядов атомных ядер и т. д.

В настоящее время твердо установлено, что атомные ядра различных элементов состоят из частиц двух видов – протонов и нейтронов.

Первая из этих частиц представляет собой атом водорода, из которого удален единственный электрон. Эта частица наблюдалась уже в 1907 г. в опытах Дж. Томсона, которому удалось измерить у нее отношение e / m. В 1919 году Э. Резерфорд обнаружил ядра атома водорода в продуктах расщепления ядер атомов многих элементов. Резерфорд назвал эту частицу протоном. Он высказал предположение, что протоны входят в состав всех атомных ядер. Схема опытов Резерфорда представлена на рис. 6.5.1.

Прибор Резерфорда состоял из вакуумированной камеры, в которой был расположен контейнер К с источником α-частиц. Окно камеры было закрыто металлической фольгой Ф, толщина которой была подобрана так, чтобы α-частицы не могли через нее проникнуть. За окном располагался экран Э, покрытый сернистым цинком. С помощью микроскопа М можно было наблюдать сцинтилляции (т. е. световые вспышки) в точках попадания на экран тяжелых заряженных частиц. При заполнении камеры азотом низкого давления на экране возникали световые вспышки, указывающие на появление потока каких-то частиц, способных проникать через фольгу Ф, практически полностью задерживающую поток α-частиц. Отодвигая экран Э от окна камеры, Резерфорд измерил среднюю длину свободного пробега наблюдаемых частиц в воздухе. Она оказалась приблизительно равной 28 см, что совпадало с оценкой длины пробега H-частиц, наблюдавшихся ранее Дж. Томсоном. Исследования действия на частицы, выбиваемые из ядер азота, электрических и магнитных полей показали, что эти частицы обладают положительным элементарным зарядом и их масса равна массе ядра атома водорода. Впоследствии опыт был выполнен с целым рядом других газообразных веществ. Во всех случаях было обнаружено, что из ядер этих веществ α-частицы выбивают H-частицы или протоны.

По современным измерениям, положительный заряд протона в точности равен элементарному заряду e = 1,60217733·10^–19 Кл, то есть равен по модулю отрицательному заряду электрона. В настоящее время равенство зарядов протона и электрона проверено с точностью 10^–22. Такое совпадение зарядов двух непохожих друг на друга частиц вызывает удивление и остается одной из фундаментальных загадок современной физики.

Масса протона, по современным измерениям, равна m_p = 1,67262∙10^–27 кг. В ядерной физике массу частицы часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), равной  массы атома углерода с массовым числом 12:

Следовательно, mp = 1,007276  а. е. м. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc². Так как 1 эВ = 1,60218·10^–19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938,272331 МэВ.

Таким образом, в опыте Резерфорда было открыто явление расщепления ядер азота и других элементов при ударах быстрых α-частиц и показано, что протоны входят в состав ядер атомов.

После открытия протона было высказано предположение, что ядра атомов состоят из одних протонов. Однако это предположение оказалось несостоятельным, так как отношение заряда ядра к его массе не остается постоянным для разных ядер, как это было бы, если бы в состав ядер входили одни протоны. Для более тяжелых ядер это отношение оказывается меньше, чем для легких, т. е. при переходе к более тяжелым ядрам масса ядра растет быстрее, чем заряд.

В 1920 г. Резерфорд высказал гипотезу о существовании в составе ядер жестко связанной компактной протон-электронной пары, представляющей собой электрически нейтральное образование – частицу с массой, приблизительно равной массе протона. Он даже придумал название этой гипотетической частице – нейтрон. Это была очень красивая, но, как выяснилось впоследствии, ошибочная идея. Электрон не может входить в состав ядра. Квантово-механический расчет на основании соотношения неопределенностей показывает, что электрон, локализованный в ядре, т. е. области размером R ≈ 10^–13 см, должен обладать колоссальной кинетической энергией, на много порядков превосходящей энергию связи ядер в расчете на одну частицу. Однако идея о существовании тяжелой нейтральной частицы казалась Резерфорду настолько привлекательной, что он незамедлительно предложил группе своих учеников во главе с Джеймсом Чедвиком заняться ее поиском. Через 12 лет, в 1932 г. Чедвик экспериментально исследовал излучение, возникающее при облучении бериллия α-частицами, и обнаружил, что это излучение представляет собой поток нейтральных частиц с массой, примерно равной массе протона. Так был открыт нейтрон. На рис. 6.5.2 приведена упрощенная схема установки для обнаружения нейтронов.

При бомбардировке бериллия α-частицами, испускаемыми радиоактивным полонием, возникает сильное проникающее излучение, способное преодолеть такую преграду, как слой свинца толщиной в 10–20 см. Это излучение почти одновременно с Чедвиком наблюдали супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри (Ирен – дочь Марии и Пьера Кюри), но они предположили, что это γ-лучи большой энергии. Они обнаружили, что если на пути излучения бериллия поставить парафиновую пластину, то ионизирующая способность этого излучения резко возрастает. Они доказали, что излучение бериллия выбивает из парафина протоны, которые в большом количестве имеются в этом водородосодержащем веществе. По длине свободного пробега протонов в воздухе они оценили энергию γ-квантов, способных при столкновении сообщить протонам необходимую скорость. Она оказалась огромной – порядка 50 МэВ.

Дж. Чедвик в 1932 г. выполнил серию экспериментов по всестороннему изучению свойств излучения, возникающего при облучении бериллия α-частицами. В своих опытах Чедвик использовал различные методы исследования ионизирующих излучений. На рис. 6.5.2 изображен счетчик Гейгера, предназначенный для регистрации заряженных частиц. Он состоит из стеклянной трубки, покрытой изнутри металлическим слоем (катод), и тонкой нити, идущей вдоль оси трубки (анод). Трубка заполняется инертным газом (обычно аргоном) при низком давлении. Заряженная частица, пролетая в газе, вызывает ионизацию молекул. Появившиеся в результате ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем между анодом и катодом до энергий, при которых начинается ударная ионизация. Возникает лавина ионов, и через счетчик проходит короткий разрядный импульс тока. Другим важнейшим прибором для исследования частиц является так называемая камера Вильсона, в которой быстрая заряженная частица оставляет след (трек). Траекторию частицы можно наблюдать непосредственно или фотографировать. Действие камеры Вильсона, созданной в 1912 г., основано на конденсации перенасыщенного пара на ионах, образующихся в рабочем объеме камеры вдоль траектории заряженной частицы. С помощью камеры Вильсона можно наблюдать искривление траектории заряженной частицы в электрическом и магнитном полях.

Дж. Чедвик в своих опытах наблюдал в камере Вильсона треки ядер азота, испытавших столкновение с бериллиевым излучением. На основании этих опытов он сделал оценку энергии γ-кванта, способного сообщить ядрам азота наблюдаемую в эксперименте скорость. Она оказалась равной 100–150 МэВ. Такой огромной энергией не могли обладать γ-кванты, испущенные бериллием. На этом основании Чедвик заключил, что из бериллия под действием α-частиц вылетают не безмассовые γ-кванты, а достаточно тяжелые частицы. Эти частицы обладали большой проникающей способностью и непосредственно не ионизировали газ в счетчике Гейгера, следовательно, они были электронейтральны. Так было доказано существование нейтрона – частицы, предсказанной Резерфордом более чем за 10 лет до опытов Чедвика.

Нейтрон – это элементарная частица. Ее не следует представлять в виде компактной протон-электронной пары, как первоначально предполагал Резерфорд.

По современным измерениям, масса нейтрона m_n = 1,67493∙10^–27 кг = 1,008665 а. е. м. В энергетических единицах масса нейтрона равна 939,56563 МэВ. Масса нейтрона приблизительно на две электронные массы превосходит массу протона.

Сразу же после открытия нейтрона российский ученый Д.Д Иваненко и немецкий физик В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева). Заряд ядра равен Ze, где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N.

Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A:

Ядра химических элементов обозначают символом , где X – химический символ элемента. Например,

 – водород,  – гелий,  – углерод,  – кислород,  – уран.

Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Например, у водорода их три:  – обычный водород,  – дейтерий и   – тритий. У углерода – 6 изотопов, у кислорода – 3.

Химические элементы в природных условиях обычно представляют собой смесь изотопов. Существование изотопов определяет значение атомной массы природного элемента в периодической системе Менделеева. Так, например, относительная атомная масса природного углерода равна 12,011.

Состав и строение веществ

Состав веществ

Все вещества состоят из атомов.

Пример. Вода состоит из атомов водорода и кислорода в отношении 2:1. Графит и алмаз состоят из атомов углерода.

Атомы могут входить в состав веществ в незаряженном состоянии или в виде заряженных атомов (ионов).

Пример. Атомы аргона входят в состав аргона незаряженными, а атомы хлора и натрия в составе поваренной соли образуют ионы.

В состав многих веществ входят (и имеют очень важное значение для их свойств) свободные электроны.

Пример. В составе металлов электроны являются носителями заряда, а в составе особых ионных соединений (они называются электриды) электроны играют роль отрицательных ионов.

Строение веществ

В некоторых веществах соседние атомы объединены друг с другом в частицы, называемые молекулами. Связи между атомами в одной и той же молекуле гораздо прочнее, чем связи между атомами, входящими в соседние молекулы, поэтому молекулы способны к самостоятельному существованию при переходе вещества в различные агрегатные состояния и в растворах.

Пример. Вода, лёд, водяной пар состоят из молекул, а в графите, алмазе, аргоне молекул нет.

Все вещества состоят из атомов, но по своему строению все вещества делятся на вещества молекулярного и немолекулярного строения.

Общее название частиц, участвующих в строении вещества — структурные частицы. К структурным частицам относятся: молекулы, атомы, ионы, электроны.

Вещества молекулярного строения называются молекулярными веществами, а немолекулярного — немолекулярными веществами.

Молекулярные вещества — это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются молекулы.

Пример. Вода, кислород, водород, сахар — молекулярные вещества.

Немолекулярные вещества — это вещества, мельчайшими структурными частицами которых являются атомы, ионы, электроны.

Пример: поваренная соль, перманганат калия (марганцовка) — немолекулярные вещества (состоят из ионов). Алмаз, аргон — немолекулярные вещества (состоят из атомов). Алюминий, медь — немолекулярные вещества (металлы) — состоят из положительных ионов и свободных электронов.

Строение веществ в виде схемы:

Урок 4. Химические элементы в живых организмах

Химические элементы в живых организмах образуют два класса соединений: органические и неорганические, а также находятся в свободном состоянии — в виде ионов. Все 94 элемента естественного происхождения имеют разное число протонов, расположение и количество электронов. Когда в XIX в. Дмитрий Менделеев выстроил их в таблицу согласно номерам, он открыл одну из величайших закономерностей естествознания: элементы демонстрируют химические свойства, которые по повторяемости можно объединить в 8 групп. Эта закономерная картина дала таблице своё название: Периодическая таблица химических элементов.

Периодическая таблица отображает химические элементы согласно атомному номеру и их свойству

Периодичность элементов, найденная Менделеевым, основана на взаимодействии электронов разных атомов на внешнем энергетическом уровне. Эти электроны называются валентными, и их контакты являются основой химических реакций. Для большинства атомов, важных для жизни, внешний энергетический уровень может содержать не более 8 электронов. Химическое поведение элемента зависит от того, сколько из его восьми позиций заполнено.

Элементы, обладающие всеми восьмью электронами внешнего энергетического уровня (у гелия 2) являются инертными, т. е. нереактивными. К ним относятся: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar) и другие благородные газы. Напротив, элементы с семью электронами внешнего энергетического уровня, такие как фтор (F), хлор (Cl) и бром (Br) реактивны. Как правило, они получают дополнительные электроны, необходимые для заполнения энергетического уровня.

Другие элементы с одним электроном в их внешнем энергетическом уровне: литий (Li), натрий (Na) и калий (K) имеют тенденцию к потере одного своего электрона.

Строение атома лития
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Таким образом, Периодическая таблица Менделеева демонстрирует правило октета, или правило восьми (лат. Octo – «восемь»): атомы стремятся полностью восстановить свои внешние энергетические уровни, дополнить количество электронов на них до 8.

Химические элементы в составе живых организмов

Отгадайте,  о составе какого объекта идёт речь?

• 43 кг кислорода,
• 18 кг углерода,
• 7 кг водорода,
• 1,8 кг азота,
• 0,780 кг фосфора,
• 0,0042 кг железа
• и ещё около 20 химических элементов.

Это состав человека среднего размера и веса. В отличие от неживой природы в живых существах химические элементы организованы в клетки.

Химический состав:
1 — земной коры,
2 — живых организмов

В земной коре преобладают кислород, кремний, алюминий и железо. В основе живых организмов находятся 4 элемента: кислород, углерод, водород, азот. Все элементы кроме кислорода, преобладающие в живых организмах, составляют незначительную долю массы земной коры.

Основные химические элементы в живых организмах — это:

• углерод – C,
• водород – H,
• кислород – O,
• азот – N,
• фосфор – P,
• сера – S,
• натрий – Na,
• калий – K,
• кальций – Ca,
• магний – Mg,
• железо – Fe,
• хлор – Cl.

Их доля в живых организмах может составлять 0,01% и выше. Все они имеют атомные номера меньше 21, так как их атомная масса низка. Первые 4 элемента: углерод, водород, кислород и азот составляют 96,3% массы любого организма.

Большинство молекул (кроме воды), из которых состоит наше тело, представляют собой соединения углерода, называемые органическими веществами. Органические вещества в основном и состоят из этих первых четырёх макроэлементов, чем и объясняется их распространённость в живых системах.

Некоторые микроэлементы, такие как цинк (Zn) и йод (I), хотя и присутствуют в крошечных количествах, играют важнейшую роль в процессах жизнедеятельности. Дефицит йода, например, может привести к увеличению щитовидной железы, образованию так называемого зоба.

Таб.2. Роль химических элементов в клетке

Таб. 3. Основные ионы в клетках

Как соединяются химические элементы в живых организмах?

Группа атомов, удерживаемых энергией в устойчивой ассоциации, называется молекулой или кристаллом. При изучении веществ в живых организмах нам будут встречаться следующие типы химических связей:

• ионные – когда притягиваются атомы с противоположными зарядами;
• ковалентные – характеризующиеся обобщением (перекрытием) в облако пары валентных электронов от разных атомов;
• водородные – связи между электроотрицательным атомом и атомом водорода H, связанным ковалентно с другим электроотрицательным атомом.

Ионные связи образуют кристаллы

В обычной поваренной соли – хлориде натрия (NaCl) – атомы удерживаются ионными связями, образуя решётку. Натрий имеет 11 электронов: 2 во внутреннем энергетическом уровне (К), 8 на уровне L и 1 на внешнем уровне М (валентность). Одиночный неспаренный валентный электрон имеет тенденцию к соединению с другим непарным электроном в другом атоме.

Стабильная конфигурация достигается за счёт потери электрона одним атомом и приобретения его другим. Натрий, теряя электрон, становится положительно заряженным ионом – катионом (Na+).

Минеральные соли в клетке накапливаются в виде кристаллов.

У атома хлора 17 электронов: 2 в уровне К, 8 в уровне L и 7 на М-уровне. Одна из орбиталей на внешнем энергетическом уровне содержит неспаренный электрон. Добавление электрона от другого атома превращает атом хлора в отрицательно заряженный хлорид-ион (Cl-). Так как противоположные заряды притягиваются, натрий и хлор остаются связанными нейтральным ионным соединением.

Кристаллическая решётка хлорида натрия. Голубой цвет = Na+ Зелёный цвет = Cl−
Автор: H Padleckas

Если кристаллическую решётку соли поместить в воду, электрическое притяжение молекул воды разрушает силы, удерживающие ионные связи. Раствор соли в воде представляет собой смесь свободных катионов натрия (Na+) и анионов хлора (Cl-).

Так как живые системы всегда содержат воду, то ионы для них важнее кристаллов. Многие химические элементы в живых организмах находятся в виде ионов. Необходимые в клеточных системах ионы – это:

• Ca₂+, обеспечивающий передачу клеточных сигналов;
• K + и Na +, участвующие в проведении нервных импульсов.

Если совместить металлический натрий и газообразный хлор, реакция образования хлорида натрия будет экзотермической – быстрой и с выделением тепла.

Ковалентные связи соединяют химические элементы в живых организмах и создают стабильные молекулы

Ковалентные связи образуются, когда два атома делят одну или несколько пар валентных электронов. В качестве примера рассмотрим газообразный водород (H₂). Каждый атом водорода имеет неспаренный электрон, а значит и незаполненный внешний уровень. По этой причине атом водорода нестабилен. Когда два атома водорода образуют тесную связь, оба валентных электрона притягиваются к их ядрам. Они как бы делят между собой электроны, в результате чего получается двухатомная молекула газообразного водорода.

Ковалентная связь, формирующая молекулу водорода h3 (справа), где два атома водорода перекрывают два электрона
Автор: Jacek FH, CC BY-SA 3.0

Молекула, образованная двумя атомами водорода, стабильна по трём причинам:

1. Она нейтральна, так как содержит 2 протона и 2 электрона.
2. Правило октета в ней выполнено. Каждый общий электрон атомов вращается вокруг обоих ядер.
3. У них нет неспаренных электронов.

Многие химические элементы в живых организмах образуют ковалентные связи.

Прочность ковалентных связей

Прочность ковалентных связей зависит от количества их общих электронов. В прошлом пункте мы рассматривали одинарную связь, двойная же связь объединяет 2 пары электронов, она более крепкая. Чтобы разорвать её, требуется больше энергии. Самые сильные ковалентные связи – тройные, такие которые объединяют два атома  в молекулу газообразного азота (N₂).

Ковалентные связи в химических формулах показывают линиями. Каждая линия между атомами представляет собой совместное использование одной пары электронов. Структурная формула газообразного водорода H–H, кислорода O=O, а их молекулярные формулы H₂ и O₂. Структурный характер формулы для N₂ N ≡ N.

Молекулы с несколькими ковалентными связями

Огромное количество биологических соединений состоит более чем из двух атомов. Атом, который требует двух, трёх или четырёх дополнительных электронов для заполнения внешнего уровня, может приобрести их путём обмена с двумя и более атомами.

Например, атом углерода (С) содержит шесть электронов, четыре из них находятся на его внешнем энергетическом уровне и не имеют пары. Чтобы удовлетворить правилу октета, атом углерода должен образовать 4 ковалентных связи. Так как эти 4 скрепления могут производиться разными путями, углерод образует множество молекул, например: СО₂ (углекислый газ), СН₄ (метан), С₂Н₅ОН (этанол).

Модель атома углерода
Автор: Ahazard.sciencewriter, CC BY-SA 4.0

Полярные и неполярные ковалентные связи

Атомы отличаются количеством электронов, это свойство называется электроотрицательностью. В строке Периодической таблицы она увеличивается вправо и уменьшается книзу колонки, то есть элементы в правом верхнем углу имеют наиболее высокую электроотрицательность.

Для связи между двумя идентичными атомами, например между двумя атомами водорода или кислорода, электроны делятся поровну. Области их соединения называются неполярными. Таковы, например, молекулы Н₂, О₂.

При соединении значительно отличающихся по электроотрицательности атомов электроны не делятся поровну. Общие электроны, скорее всего, будут ближе к атому с большей отрицательностью, и хотя получившаяся молекула будет электрически нейтральной, заряд в ней распределится неравномерно. Неравномерность заряда приводит к областям частичной отрицательности (в районе наиболее отрицательного атома) и положительного заряда вблизи наименее отрицательного атома. Такие связи называются полярными ковалентными, а молекулы – полярными.

На схемах с изображением полярных молекул эти частичные заряды обозначаются греческой буквой Дельта (δ). Интересно, что хотя С и Н немного отличаются по электроотрицательности, связь между ними неполярна. Н₂О – полярная молекула, электроны в ней концентрируются около ядра атома кислорода. О воде мы будем говорить более подробно в следующем уроке.

Химические реакции взаимосвязаны и обратимы

Процессы образования и разрыва связей между атомами называются химическими реакциями. Все химические реакции обозначают перенос атома от одной молекулы в другое соединение, без каких-либо изменений в количестве или идентичности атомов. Для удобства оригинал молекул до начала реакции называют реагентом, а молекулы, образующиеся в результате реакции – продуктами. Например:

6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂, где 6H₂O + 6CO₂ – реагент, а C₆H₁₂O₆ + 6O₂– продукт. Это упрощённая формула реакции фотосинтеза, где вода и углекислый газ, вступая в реакцию, образуют молекулы глюкозы и кислорода.

Все химические реакции происходят под влиянием трёх факторов.

1. Температура. Нагрев реагентов увеличивает скорость реакции, потому что атомы при этом двигаются быстрее и сталкиваются друг с другом чаще. Но необходимо позаботиться о том, чтобы температура не поднялась слишком высоко и не разрушила молекулы.
2. Концентрация реагентов и продуктов. Реакции проходят быстрее, когда из-за более частых столкновений доступно больше реагентов. Накопление продуктов замедляет реакцию, а в обратимой реакции может привести к возвращению к исходным веществам.
3. Катализаторы. Катализатор – это вещество, которое увеличивает скорость реакции. Он не изменяет соотношения между реагентом и продуктом, а сокращает время их изменения. В живых системах почти во всех реакциях катализаторами служат белки энзимы (ферменты).

Многие реакции в природе обратимы. Это значит, что продукты могут снова стать реагентами, а реагенты – продуктами. Соответственно, мы можем записать предыдущую формулу в обратном порядке:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂→ 6H₂O + 6CO₂                     

Эта упрощённый вариант окисления глюкозы, протекающего во время клеточного дыхания, когда глюкоза расщепляется на воду и углекислый газ в присутствии кислорода. Почти все живые организмы осуществляют разные формы окисления глюкозы.

Организмы – накопители химических элементов

Организмы, способные накапливать в своём теле один или несколько химических элементов называют концентраторами. Если элемент составляет 10% от веса их тела или от атомной массы, тогда они относятся к данной группе.

Вам будет интересно

атомов — что это такое? Что внутри них?

Реклама

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 3 июля 2020 г.

Предположим, вам пришлось
построить себе мир, в точности похожий на тот, в котором мы живем. Где бы
ты начинаешь? Вам понадобятся люди … машины … дома … животные … деревья …
и миллиарды других вещей. Но если бы у вас было несколько десятков разных
типа atom , вы можете построить все это и многое другое: вы просто
соединять атомы вместе разными способами.Атомы крошечные
строительные блоки, из которых построено все вокруг нас. Это
Удивительно думать, что из атомов можно сделать что угодно, от змеи до
океанский лайнер — но это абсолютная правда! Давай ближе
смотреть.

Иллюстрации: От волос на голове до футболки на спине — все в мире состоит из атомов.
На этой иллюстрации я сильно преувеличил их размер. На моем экране каждая из атомных красных точек
примерно в 10 миллионов раз больше обычного атома.
(Ваш экран может быть больше или меньше моего или масштабироваться иначе, поэтому
примите это как очень грубое приближение.)

Что такое атом?

Разобрать что-нибудь и
вы найдете что-то меньшее внутри. Внутри машин есть двигатели,
косточки внутри яблок, сердца и легкие внутри людей, и начинка
внутри плюшевых мишек. Но что произойдет, если вы продолжите? Если вы сохраните
разбирая вещи, вы в конечном итоге обнаружите, что все имеют значение
(все «вещи», которые нас окружают) сделано из
различные виды
атомов. Например, живые существа в основном состоят из атомов.
углерод, водород и кислород.Это всего три из более чем 100
химических элементов , которые есть у ученых
обнаружен. Другой
элементы включают металлы, такие как медь, олово, железо и
золото и газы
как водород и гелий. Вы можете сделать практически все, что можете
подумайте о соединении атомов разных элементов вместе, как крошечные
LEGO®
блоки.

Фото: Как выглядит атом? Вы можете увидеть его, если у вас есть
правильный микроскоп или фотоаппарат! На этой фотографии показаны атомы стронция
«летать» в кубе, стимулируясь при этом точным лазерным светом.Предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий (NIST).

Атом — самый маленький
возможное количество химического элемента, поэтому атом золота является
наименьшее количество золота, которое вы можете иметь. По малому, я действительно
имею в виду абсолютно, наноскопически
крошечный: один атом
в сотни тысяч раз тоньше человеческого волоса, поэтому у вас нет абсолютно никаких
шанс когда-либо увидеть его, если у вас нет невероятно мощного
электронный микроскоп. В древности
раз люди думали атомами
были самыми маленькими вещами в мире.Фактически, слово
атом происходит от греческого слова, означающего нечто, что не может быть разделено
дальше. Сегодня мы знаем, что это неправда. Теоретически, если бы у вас был нож
маленький и достаточно острый, можно расколоть атом золота на куски и
найти внутри более мелкие вещи. Но тогда у тебя больше не будет золота:
ты бы просто получил биты. Все атомы состоят из одних и тех же битов,
которые называются субатомными частицами («субатомные»
означает меньше чем и это частицы меньше чем атомы). Так что если ты нарезал
атом железа и сложить куски в кучу, а затем измельчить
атом золота, и положите эти кусочки во вторую кучу, вы получите
две груды очень похожих бит — но не было бы ни железа, ни золота
оставил.

Какие части атома?

У большинства атомов три
внутри них разные субатомные частицы: протонов ,
нейтронов ,
и электронов . Протоны и нейтроны
упакованы вместе
в центр атома (который называется ядром )
и электроны, которые намного меньше, кружатся вокруг
вне. Когда люди рисуют атомы, они показывают электроны.
как спутники, вращающиеся вокруг Земли на орбитах.По факту,
электроны движутся так быстро, что мы никогда не знаем точно, где они
от одного момента к другому. Представьте их как сверхбыстрые гоночные автомобили
движутся так невероятно быстро, что превращаются в размытые
облака — они
почти везде одновременно. Вот почему вы увидите некоторые
книги рисуют электроны внутри нечетких областей, называемых орбиталями .

Работа: атомы содержат протоны и нейтроны, упакованные в центральную область, называемую ядром, в то время как
электроны занимают пространство вокруг него.В простых описаниях атома мы часто говорим об электронах, «вращающихся» вокруг ядра как
планеты, вращающиеся вокруг Солнца, или спутники, вращающиеся вокруг Земли, хотя это
огромное упрощение.
Также обратите внимание, что это изображение нарисовано не в масштабе! Большая часть атома — это пустое пространство. Если бы атом был размером с бейсбольный стадион, ядро ​​было бы размером с горошину в самом центре, а электроны были бы где-то на внешнем крае.

Что отличает атом золота от атома железа, так это количество протонов,
нейтроны и электроны внутри него.Разрежьте один атом железа
и вы найдете 26 протонов и 30 нейтронов, сгруппированных вместе в
ядро и 26 электронов, носящихся снаружи. Атом золота
больше и тяжелее. Раскройте его, и вы найдете 79 протонов и
118 нейтронов в ядре и 79 электронов, вращающихся по краю.
Протоны, нейтроны и электроны в атомах железа и золота равны
одинаковые — просто их разное количество. Теоретически,
вы можете превратить железо в золото, взяв атомы железа и добавив 53 протона,
88 нейтронов и 53 электрона каждому.Но если бы это было так просто, как
звучит, можно поспорить, что все химики мира были бы очень богаты
действительно!

Но предположим, что вы
может очень просто превращать атомы в другие атомы. Как бы вы сделали
первые несколько химических элементов? Вы бы начали с самого простого атома,
водород (символ H), который имеет один протон и один электрон, но не
нейтроны. Если
вы добавляете еще один протон, еще один электрон и два нейтрона, вы получаете
атом гелия (символ He). Добавьте еще протон, еще один электрон,
и два
больше нейтронов, и у вас будет атом металлического лития (символ
Ли).Добавьте один протон, один нейтрон и один электрон, и вы получите атом
бериллия (символ Ве).

Смотри как
оно работает? Во всех атомах количество протонов и количество
электроны всегда одинаковы. Количество нейтронов очень примерно
в
столько же, сколько протонов, но иногда и больше.
Число протонов в атоме называется
атомный номер
и он говорит вам, какой у вас тип атома. Атомный номер 1
означает, что атом является водородом, атомный номер 2 означает гелий, 3 означает
литий, 4 — бериллий и так далее.Общее количество протонов и
Сумма нейтронов называется относительной атомной массой .
Относительная атомная масса водорода равна 1, а относительная атомная масса гелия
атомная масса равна 4 (потому что есть два протона и два нейтрона
внутри). Другими словами, атом гелия в четыре раза тяжелее, чем
атом водорода, а атом бериллия в девять раз тяжелее.

Что такое Периодическая таблица?

Работа: Периодическая таблица элементов.

Предположим, вы составляете список химических элементов в порядке их атомного номера (количества протонов), начиная с водорода (H).Вы обнаружите, что элементы с похожими химическими свойствами (как они реагируют с вещами) и физическими свойствами (будь то металлы или неметаллы, как они проводят тепло и электричество и т. Д.) Появляются через регулярные промежутки времени — периодически , другими словами. Если вы измените свой список в виде таблицы так, чтобы похожие атомы располагались друг под другом, вы получите диаграмму, подобную этой, которая называется Периодической таблицей . Столбцы называются группами, а строки — точками.

И что? Атомы в определенной группе (столбце) имеют похожие свойства.Так, например, красный столбец справа содержит благородные газы (гелий, неон, аргон, криптон и так далее), которые относительно инертны. Розовый столбец слева содержит щелочные металлы (литий, натрий, калий и т. Д.), Которые являются относительно химически активными металлами (вы, вероятно, знаете, что некоторые из них бурно реагируют с водой, например, с образованием взрывоопасного газообразного водорода). Если вы знаете, где находится определенный элемент в таблице, и немного знаете о свойствах элементов сверху, снизу и с любой стороны, вы часто можете выяснить, какими будут свойства этого элемента.

Как атомы образуют молекулы и соединения?

Атомы немного похожи
люди: они обычно предпочитают компанию одиночеству. Много атомов
предпочитают соединяться с другими атомами, потому что они более стабильны, чем
путь. Таким образом, атомы водорода не существуют сами по себе: вместо этого они образуют пару.
до того, что называется молекулой
водород. Молекула
это наименьшее количество соединения : a
вещество, состоящее из двух или более атомов.

Некоторые люди сбивают с толку молекулы и соединения.Вот как
запомните разницу. Если вы присоединитесь к двум
различных химических элементов вместе, часто можно полностью
новое вещество. Приклейте два атома водорода к
атом кислорода, и вы получите одну молекулу воды.
Вода — это соединение (потому что это два разных химических элемента, соединенных
вместе), но это также и молекула, потому что она образована путем объединения
атомы. Запоминать это так: соединения — это элементы.
соединены вместе, а молекулы — это атомы, соединенные вместе.

Не все молекулы такие маленькие и простые, как вода.Молекулы
пластмассы, например, могут быть сделаны из сотен или даже тысяч отдельных
Атомы, соединенные вместе в невероятно длинные цепи, называются полимерами .
Полиэтилен (также называемый полиэтиленом или полиэтиленом) является очень простым примером этого.
Это полимер, полученный путем повторения базовой единицы, называемой мономером .
снова и снова — точно так же, как поезд с углем, составленный из любого количества идентичных грузовиков,
один за другим:

Что такое изотопы?

Чтобы усложнить
более того, мы иногда находим атомы химического элемента, которые являются
немного отличается от того, что мы ожидаем.Возьмем, к примеру, углерод. В
обыкновенный углерод, который мы находим в окружающем нас мире, иногда называют
углерод-12. В нем шесть протонов, шесть электронов и шесть нейтронов, поэтому
его атомный номер равен 6, а его относительная атомная масса равна 12. Но
есть еще одна форма углерода, называемая углерод-14, шесть
протоны, шесть электронов и восемь нейтронов. У него все еще есть атомный
число шесть, но его относительная атомная масса равна 14. Углерод-14 больше
нестабилен, чем углерод-12, поэтому радиоактивен :
это естественно
распадается, выделяя в процессе субатомные частицы, чтобы превратить
в азот.Углерод-12 и углерод-14 называются
изотопов углерода. Изотоп — это просто атом с другим числом
нейтроны, которые мы обычно ожидаем найти.

Как атомы образуют ионы?

Атомы — это не просто пакеты материи: они также содержат электрическую энергию. Каждый протон в
ядро атома имеет крошечный положительный заряд (электричество, которое остается в
одно место).
Мы говорим, что у него есть заряд +1, чтобы все было просто
(на самом деле заряд протона — длинное и сложное число: +0.00000000000000000016021892 C, будет
точно!). У нейтронов вообще нет заряда.
Это означает, что ядро ​​атома фактически представляет собой большую группу
положительный заряд.
Электрон крошечный по сравнению с протоном, но у него точно такие же
сумма заряда. Фактически, электроны имеют заряд, противоположный
протонов (заряд −1 или −0,00000000000000000016021892 Кл, чтобы быть
абсолютно точно). Итак, протоны и электроны немного похожи на
два разных конца батареи: у них одинаковые и противоположные
электрические заряды.Поскольку в атоме одинаковое количество протонов и
электронов, у него нет общего заряда: положительные заряды на всех
протоны точно уравновешиваются отрицательными зарядами на всех
электроны. Но иногда атом может получить или потерять электрон, чтобы
стать тем, что называется ion . Если он получит
электрон, он имеет
немного слишком много отрицательного заряда, и мы называем это отрицательным ионом; Это
он теряет электрон, он становится положительным ионом.

Изображение: Атом лития (Li) образует положительный ион (Li +), «теряя» электрон.Атом фтора (F) образует отрицательный ион (F -), приобретая электрон.

Что такого хорошего в
ионы? Они очень важны во многих химических реакциях. За
например, обычная поваренная соль (имеющая химическое название натрий
хлорид) образуется, когда ионы натрия соединяются вместе с ионами, образующими
из хлора (которые называются хлорид-ионами). Ион натрия производится
когда атом натрия теряет
электрон и становится положительно заряженным. Хлорид-ион образуется в
наоборот, когда атом хлора получает электрон, чтобы стать
отрицательно заряженный.Как два противоположных полюса магнита, положительный и
отрицательные заряды притягиваются друг к другу. Итак, каждый положительно заряжен
Ион натрия прикрепляется к отрицательно заряженному иону хлорида с образованием
одиночная молекула хлорида натрия. Когда соединения образуются через два
или более ионов, соединяющихся вместе, мы называем это
ионная связь . Таким образом образует свои соединения большинство металлов.

Электрический заряд, которым обладают ионы, может быть полезен во всех отношениях. Ионы (а также
электроны) помогают проводить электричество через
батарейки при их подключении в цепь.

Откуда мы знаем, что атомы существуют?

Работа: Молекулы состоят из атомов: в начале 19 века английский химик Джон Дальтон (1766–1844) понял, что атомы соединяются в простые
соотношения. Вода образуется, когда два атома водорода соединяются с одним кислородом. Подобные химические реакции
имеет смысл, если элементы существуют как простые строительные блоки: другими словами, атомы.

Если мы не видим атомы, как мы узнаем, что они там? Это очень хороший вопрос!
Наука основана на доказательствах, так какие у нас есть доказательства того, что атомы действительно существуют?
Он бывает разных форм:

1. Химики давно знают, что когда мы объединяем разные элементы в химических реакциях,
   ингредиенты соединяются в простых пропорциях.Так, например, в воде мы знаем, что там
   в два раза больше атомов водорода, чем атомов кислорода (h3O), что делает
   соотношение 2: 1. В соли (хлориде натрия) одинаковое количество атомов натрия и хлора (NaCl),
   поэтому соотношение 1: 1. Мы можем легко объяснить это, если химические элементы действительно существуют как
   простые частицы (другими словами, атомы), которые соединяются как строительные блоки.
2. Некоторые вещества радиоактивны: они естественным образом расщепляются на более простые вещества и выделяют крошечные
   частицы или энергия в процессе.Опять же, это имеет смысл, если атомы существуют и построены
   от более мелких частиц (протонов, нейтронов и электронов).
3. Ученые могут разбивать большие атомы на более мелкие. В одном очень
   знаменитая серия экспериментов в начале 20 века, команда под руководством
   Эрнест Резерфорд (физик из Новой Зеландии) стрелял частицами по атомам и наблюдал, что произошло. Это показало, как биты были расположены внутри типичного атома (с ядром в центре).
4. У нас есть множество доказательств существования крошечных частиц, называемых электронами: они
   силовые вещи, такие как электричество и магнетизм.Английский физик Дж. Дж. Томсон
   открыл электроны в 1897 году.
   Открытие помогло ученым понять, что атомы состоят из еще более мелких частиц.
5. В отличие от этих более ранних ученых, мы действительно можем видеть атомы; просто посмотрите на фото атомов серы вверху!
   Увидеть эту картину обрадовало бы Резерфорда, Томсона и других пионеров атомной науки.
   Теперь ученые даже начинают заглядывать внутрь атомов. Благодаря разработке действительно мощных
   электронные микроскопы, мы можем заглянуть глубоко внутрь вещей в
   их внутренняя атомная структура.Например, в 2013 году ученые использовали квантовую
   микроскоп, чтобы получить первое изображение внутренней части атома водорода. Удивительный!

Есть еще много доказательств того, откуда это взялось, но для начала подойдет. Это показывает нам, что наша теория того, какие атомы
есть и то, как они построены, очень хорошо: теория согласуется с тем, что мы видим вокруг нас в мире, и это
подтверждается множеством различных свидетельств. Однако это не полная теория: нам еще предстоит многому научиться.
об атомах и осколках, скрывающихся внутри них!

Краткая история атомов

Кто открыл атом, как и когда? Давайте быстро пролистаем историю…

• 450 г. до н. Э .: древнегреческие философы Левкипп и Демокрит стали первыми, кто предположил, что материя состоит из атомов.
• 1661: англо-ирландский химик Роберт Бойл (1627–1691) предположил, что химические элементы были простейшими формами материи.
• 1789: француз Антуан Лавуазье (1743–1794), широко известный как «отец современной химии», составил список химических элементов (которые он определил как вещества, которые не могут быть расщеплены посредством химической реакции) .Это было важной ступенькой на пути к полной Периодической таблице.
• 1803: английский ученый Джон Далтон (1766–1844) опубликовал атомную теорию материи. Он понял, что каждый химический элемент состоит из атомов.
• 1815: английский врач Уильям Праут (1785–1850) предположил, что веса различных элементов просто кратны весу атома водорода — не совсем верно, но еще один важный ключ к пониманию
  как сделаны атомы.
• 1869: Опираясь на идеи Лавуазье, Дальтона, Праута и других, русский химик по имени Дмитрий Менделеев (1834–1907) нашел логический способ упорядочивания химических элементов с четкой структурой, названной Периодической таблицей.
• 1896: французский физик Анри Беккерель (1852–1908) случайно обнаружил радиоактивность.
• 1917: английский физик из Новой Зеландии Эрнест Резерфорд (1871–1937) «расщепил» атом: он доказал, что атомы состоят из более мелких частиц, и в конце концов пришел к выводу, что у них есть тяжелое положительно заряженное ядро ​​и практически пустая область вокруг их.
• 1919: британский физик Фрэнсис Астон (1852–1908) обнаружил большое количество
  атомных изотопов с помощью масс-спектрометрии.
• 1938: немецкие физики Отто Хан (1879–1978)
  и Fritz Strassmann (1902–1980) осуществили первое ядерное деление
  (разделение тяжелых атомов на более легкие).
• 1945: Соединенные Штаты сбросили атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.
• 1960–1970-е годы: физики элементарных частиц выяснили, как несколько фундаментальных сил удерживают вместе маленькие «субатомные» частицы.
  делать атомы.Их идеи постепенно стали называть Стандартной моделью.
• 2013: Ученые использовали квантовый микроскоп, чтобы сделать первые снимки внутри атома водорода.

Узнать больше

На сайте

На других сайтах

• The Particle Adventure: один из лучших простых веб-сайтов, объясняющих атомы и мир внутри них.
• Структура материи: это очень хорошее интерактивное слайд-шоу с веб-сайта Нобелевской премии объясняет на 22 слайдах все об атомах и других частицах внутри них.[Архивировано через Wayback Machine.]
• Темная материя и темная энергия: Большая часть «вещества» во Вселенной — это не обычная материя или энергия, как мы всегда представляли: это на самом деле «темная материя» и «темная энергия». На этом веб-сайте НАСА объясняется, что это такое и как они связаны с обычным веществом и энергией.

Статьи

Книги для юных читателей

• Вы чувствуете силу? Ричарда Хаммонда. Дорлинг Киндерсли, 2015. Включает краткое введение в атомы, квантовую теорию и физику элементарных частиц.
• Периодическая таблица Адриана Дингла.
  Oxford University Press, 2014.

.

• Атомы и молекулы Криса Вудфорда и Мартина Клоуса. Rosen, 2012. (Ранее опубликовано Blackbirch.) Одна из моих собственных книг, в которой представлена ​​история теории атома с древних времен до наших дней.
• Алан Мортон «Расщепление атома». Эванс, 2005. Краткая история теории атома.
• Как расщепить атом. Хейзел Ричардсон. Oxford University Press, 1999. Забавное и забавное руководство, которое понравится любителям серии «Ужасная наука».
• Очевидец: Дело Кристофера Купера.
  Дорлинг Киндерсли, 1992. Более сухое, но солидное вступление; подходит для школьных проектов.

Книги для старших читателей

• Atom от Пирса Бизони. Icon, 2017. История о том, как ученые пришли к пониманию атомов.
• Элементы: Визуальное исследование каждого известного атома во Вселенной, Теодор Грей. Black Dog & Leventhal, 2012. Занимательное путешествие по таблице Менделеева.
• Мистер Томпкинс в мягкой обложке Георгия Гамова.Кембридж, 2012. Очень яркое введение в мир внутри атомов от одного из самых творческих физиков 20-го века. Подходит для подростков старшего возраста и старше.
• «Муха в соборе» Брайана Кэткарта. Фаррар, Страус и Жиру, 2005. Превосходный, легкий для понимания отчет о том, как Эрнест Резерфорд и его команда выяснили структуру атомов. Также опубликовано в мягкой обложке
  пользователя Penguin.
• Шесть легких пьес Ричарда Фейнмана. Penguin, 1998. Эта книга ни в коем случае не так «проста», как предполагает ее название, но последняя глава действительно содержит содержательное объяснение квантовой теории и ее различных загадок, которые люди с основами физики могут надеяться понять.

Видео

• Что такое бозон Хиггса ?: Дон Линкольн, ученый из Fermilab, объясняет самый острый вопрос в субатомной науке — в терминах, которые большинство из нас может понять!
• Что такое антивещество? Еще одно хорошее простое объяснение от Дона Линкольна.
• Как J.J. Томсон открыл электрон: это отличное небольшое видео, которое объясняет, как такие ученые, как Томсон, пришли к выводу, что электроны должны быть заряженными частицами внутри атомов.

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты

статей с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных работ без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным санкциям.

Авторские права на текст © Крис Вудфорд 2007, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условиях использования.

Следуйте за нами

Поделиться страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее, или расскажите об этом друзьям с помощью:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2007/2019) Атомы. Получено с https://www.explainthatstuff.com/atoms.html. [Доступ (укажите дату здесь)]

Больше на нашем сайте …

.

История атома — Теории и модели — Сложный процент

Нажмите для увеличения

Вся материя состоит из атомов. Это то, что мы сейчас принимаем как данность, и это одна из вещей, которую вы изучаете еще в начале уроков химии в средней или средней школе. Несмотря на это, наши представления о том, что такое атом , на удивление недавние: всего сто лет назад ученые все еще обсуждали, как именно выглядит атом. На этом графике показаны ключевые модели, предложенные для атома, и то, как они менялись с течением времени.

Хотя наша графика началась в 1800-х годах, идея атомов появилась задолго до этого. Фактически, нам нужно вернуться в Древнюю Грецию, чтобы найти его происхождение. Слово «атом» на самом деле происходит от древнегреческого и примерно переводится как «неделимый». Древнегреческую теорию приписывают нескольким различным ученым, но чаще всего ее приписывают Демокриту (460–370 до н.э.) и его наставнику Левкиппу. Хотя их представления об атомах были рудиментарными по сравнению с нашими сегодняшними представлениями, они изложили идею о том, что все состоит из атомов, невидимых и неделимых сфер материи бесконечного типа и числа.

Эти ученые представляли атомы различной формы в зависимости от типа атома. Они представляли атомы железа как имеющие крючки, скрепляющие их вместе, объясняя, почему железо остается твердым при комнатной температуре. Атомы воды были гладкими и скользкими, что объясняло, почему вода при комнатной температуре была жидкостью и ее можно было переливать. Хотя теперь мы знаем, что это не так, их идеи легли в основу будущих атомных моделей.

Однако нужно было долго ждать, прежде чем этот фундамент был построен.Лишь в 1803 году английский химик Джон Далтон начал разрабатывать более научное определение атома. Он опирался на идеи древних греков, описывая атомы как маленькие, твердые сферы, которые неделимы, и что атомы данного элемента идентичны друг другу. Последнее утверждение в значительной степени остается верным, за исключением изотопов различных элементов, которые различаются по количеству нейтронов. Однако, поскольку нейтрон не будет открыт до 1932 года, мы, вероятно, можем простить Далтону такую ​​оплошность.Он также выдвинул теории о том, как атомы объединяются, чтобы образовать соединения, а также придумал первый набор химических символов для известных элементов.

Изложение теории атома Дальтоном было началом, но по-прежнему мало что рассказало нам о природе самих атомов. Последовало еще одно, более короткое затишье, когда наши познания в атомах не продвинулись так сильно. Были некоторые попытки определить, как могут выглядеть атомы, такие как предположение лорда Кельвина о том, что они могут иметь вихревую структуру, но только на рубеже 20-го века прогресс в выяснении атомной структуры действительно начался. подбирать.

Первый прорыв произошел в конце 1800-х годов, когда английский физик Джозеф Джон (Дж. Дж.) Томсон обнаружил, что атом не так неделим, как утверждалось ранее. Он провел эксперименты с использованием катодных лучей, образующихся в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкиваются отрицательно заряженными. Из этого он заключил, что лучи должны быть заряжены отрицательно.

Измерив заряд частиц в лучах, он смог сделать вывод, что они в две тысячи раз легче водорода, и, изменив металл, из которого сделан катод, он смог сказать, что эти частицы присутствуют во многих типах атомов. .Он открыл электрон (хотя и называл его «корпускулой») и показал, что атомы не неделимы, а имеют более мелкие составные части. Это открытие принесло ему Нобелевскую премию 1906 года.

В 1904 году он выдвинул свою модель атома, основанную на своих открытиях. Названная «моделью сливового пудинга» (хотя и не самим Томсоном), она представляла атом как сферу положительного заряда с электронами, разбросанными повсюду, как сливы в пудинге. Ученые начали вглядываться во внутренности атома, но модель Томсона долго не продержалась — и именно один из его учеников предоставил доказательства, чтобы передать ее в историю.

Эрнест Резерфорд был физиком из Новой Зеландии, учился в Кембриджском университете под руководством Томсона. Это была его более поздняя работа в Манчестерском университете, которая позволила глубже проникнуть в суть атома. Эта работа появилась после того, как он уже получил Нобелевскую премию в 1908 году за свои исследования в области химии радиоактивных веществ.

Резерфорд разработал эксперимент по исследованию атомной структуры, который включал стрельбу положительно заряженными альфа-частицами в тонкий лист золотой фольги.Альфа-частицы были настолько малы, что могли проходить через золотую фольгу, и, согласно модели Томсона, которая показывала, что положительный заряд рассеивается по всему атому, они должны проходить с небольшим отклонением или без него. Проведя этот эксперимент, он надеялся подтвердить модель Томсона, но в итоге сделал прямо противоположное.

Во время эксперимента большая часть альфа-частиц действительно прошла через фольгу с небольшим отклонением или без него. Однако очень небольшое количество частиц отклонялось от своего первоначального пути на очень большие углы.Это было совершенно неожиданно; как заметил сам Резерфорд: «Это было почти так же невероятно, как если бы вы выпустили 15-дюймовый снаряд по куску папиросной бумаги, а он вернулся и попал в вас». Единственное возможное объяснение заключалось в том, что положительный заряд не распространялся по всему атому, а концентрировался в маленьком плотном центре: ядре. Большая часть остального атома была просто пустым пространством.

Открытие ядра Резерфордом означало, что модель атома нуждалась в переосмыслении. Он предложил модель, в которой электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра.Хотя это было усовершенствованием модели Томсона, оно не объясняло, что удерживает электроны на орбите, а не просто по спирали в ядре.

Входит Нильс Бор. Бор был датским физиком, который попытался решить проблемы с помощью модели Резерфорда. Он понял, что классическая физика не может должным образом объяснить, что происходит на атомном уровне; вместо этого он обратился к квантовой теории, чтобы попытаться объяснить расположение электронов. Его модель постулировала существование энергетических уровней или оболочек электронов.Электроны можно было найти только на этих определенных энергетических уровнях; Другими словами, их энергия была квантована и не могла иметь никакого значения. Электроны могли перемещаться между этими энергетическими уровнями (называемыми Бором «стационарными состояниями»), но должны были делать это путем поглощения или испускания энергии.

Предложение Бора о стабильных энергетических уровнях решало проблему спиралевидного проникновения электронов в ядро ​​до некоторой степени, но не полностью. Точные причины немного сложнее, чем мы собираемся здесь обсуждать, потому что мы попадаем в сложный мир квантовой механики; и, как сказал сам Бор: «Если квантовая механика вас не сильно шокировала, значит, вы ее еще не поняли».Другими словами, это становится немного странным.

Модель

Бора не решает всех проблем с атомной моделью. Он хорошо работал с атомами водорода, но не мог объяснить наблюдения более тяжелых элементов. Это также нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, один из краеугольных камней квантовой механики, который гласит, что мы не можем знать точное положение и импульса электрона. Тем не менее, этот принцип был постулирован лишь через несколько лет после того, как Бор предложил свою модель. Несмотря на все это, модель атома Бора, вероятно, все еще остается той моделью атома, с которой вы наиболее знакомы, поскольку зачастую она впервые появляется на курсах химии в средней или средней школе.Он все еще имеет свое применение; он очень удобен для объяснения химической связи и реакционной способности некоторых групп элементов на простом уровне.

Во всяком случае, модель все же требовала доработки. В этот момент многие ученые исследовали и пытались разработать квантовую модель атома. Главным из них был австрийский физик Эрвин Шрёдингер, о котором вы, наверное, слышали раньше (он парень с кошкой и ящиком). В 1926 году Шредингер предположил, что электроны ведут себя как волны, а не электроны, движущиеся по фиксированным орбитам или оболочкам.Это кажется немного странным, но вы, вероятно, уже помните, что свет может вести себя и как волна, и как частица (так называемая дуальность волна-частица), и, оказывается, электроны тоже.

Шредингер решил серию математических уравнений, чтобы создать модель распределения электронов в атоме. Его модель показывает ядро, окруженное облаками электронной плотности. Эти облака — облака вероятности; хотя мы не знаем точно, где находятся электроны, мы знаем, что они, скорее всего, могут быть обнаружены в данных областях пространства.Эти области пространства называют электронными орбиталями. Возможно, понятно, почему уроки химии в старших классах не соответствуют этой модели, хотя сегодня это общепринятая модель, потому что на то, чтобы разобраться, нужно немного больше времени!

Schrödinger’s не было последним словом об атоме. В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (ученик Эрнеста Резерфорда) открыл существование нейтрона, завершив нашу картину субатомных частиц, составляющих атом.На этом история не заканчивается; С тех пор физики обнаружили, что протоны и нейтроны, составляющие ядро, сами делятся на частицы, называемые кварками — но это выходит за рамки этой статьи! Во всяком случае, атом дает нам отличный пример того, как научные модели могут меняться со временем, и показывает, как новые свидетельства могут привести к новым моделям.

Понравились этот пост и рисунок? Подумайте о поддержке сложного процента на Patreon и получайте предварительные просмотры будущих публикаций и многое другое!

Изображение в этой статье находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Международная лицензия. См. Рекомендации по использованию содержания сайта.

Ссылки и дополнительная литература

.

атом | Определение, история и примеры

Атом , наименьшая единица, на которую можно разделить материю без высвобождения электрически заряженных частиц. Это также мельчайшая единица вещества, обладающая характерными свойствами химического элемента. Таким образом, атом является основным строительным блоком химии.

Оболочечная модель атома В оболочечной модели атома электроны занимают разные энергетические уровни или оболочки. Оболочки K и L показаны для атома неона. Encyclopædia Britannica, Inc. Исследуйте различные электронные конфигурации в электронных оболочках вокруг ядра атома Атомная модель электронных конфигураций. Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотрите все видео к этой статье

Большая часть атома — это пустое пространство. Остальное состоит из положительно заряженного ядра протонов и нейтронов, окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. Ядро маленькое и плотное по сравнению с электронами, которые являются самыми легкими заряженными частицами в природе.Электроны притягиваются к любому положительному заряду своей электрической силой; в атоме электрические силы связывают электроны с ядром.

Из-за природы квантовой механики ни одно изображение не было полностью удовлетворительным для визуализации различных характеристик атома, что, таким образом, вынуждает физиков использовать дополнительные изображения атома для объяснения различных свойств. В некотором отношении электроны в атоме ведут себя как частицы, вращающиеся вокруг ядра. В других случаях электроны ведут себя как волны, застывшие вокруг ядра.Такие волновые структуры, называемые орбиталями, описывают распределение отдельных электронов. Эти орбитальные свойства сильно влияют на поведение атома, а его химические свойства определяются орбитальными группами, известными как оболочки.

Эта статья открывается широким обзором фундаментальных свойств атома и составляющих его частиц и сил. После этого обзора следует исторический обзор наиболее влиятельных концепций об атоме, сформулированных на протяжении веков.Для получения дополнительной информации, касающейся структуры ядра и элементарных частиц, см. субатомных частиц.

Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 с вашей подпиской.
Подпишитесь сегодня

Большая часть вещества состоит из скоплений молекул, которые можно относительно легко разделить. Молекулы, в свою очередь, состоят из атомов, соединенных химическими связями, которые труднее разорвать. Каждый отдельный атом состоит из более мелких частиц, а именно электронов и ядер.Эти частицы электрически заряжены, и электрические силы, действующие на заряд, несут ответственность за удержание атома вместе. Попытки разделить эти более мелкие составляющие частицы требуют постоянно увеличивающегося количества энергии и приводят к созданию новых субатомных частиц, многие из которых заряжены.

Как отмечалось во введении к этой статье, атом в основном состоит из пустого пространства. Ядро является положительно заряженным центром атома и содержит большую часть его массы. Он состоит из протонов, которые имеют положительный заряд, и нейтронов, которые не имеют заряда.Протоны, нейтроны и окружающие их электроны — долгоживущие частицы, присутствующие во всех обычных, встречающихся в природе атомах. Другие субатомные частицы могут быть обнаружены в ассоциации с этими тремя типами частиц. Однако они могут быть созданы только с добавлением огромного количества энергии и очень недолговечны.

Все атомы примерно одинакового размера, независимо от того, имеют ли они 3 или 90 электронов. Приблизительно 50 миллионов атомов твердого вещества, выстроенных в ряд, имеют размер 1 см (0.4 дюйма). Удобной единицей длины для измерения размеров атомов является ангстрем (Å), определяемый как 10 ⁻¹⁰ метров. Радиус атома составляет 1-2 Å. По сравнению с общим размером атома ядро ​​еще более миниатюрное. Он находится в такой же пропорции к атому, как шарик к футбольному полю. По объему ядро ​​занимает всего 10 ⁻¹⁴ метров пространства в атоме, то есть 1 часть на 100 000. Удобной единицей длины для измерения размеров ядер является фемтометр (фм), который равен 10 ⁻¹⁵ метрам.Диаметр ядра зависит от количества содержащихся в нем частиц и колеблется от 4 фм для легкого ядра, такого как углерод, до 15 фм для тяжелого ядра, такого как свинец. Несмотря на малые размеры ядра, практически вся масса атома сосредоточена в нем. Протоны — массивные положительно заряженные частицы, тогда как нейтроны не имеют заряда и немного массивнее протонов. Тот факт, что ядра могут иметь от 1 до почти 300 протонов и нейтронов, объясняет их широкую вариацию массы.Самое легкое ядро, ядро ​​водорода, в 1836 раз массивнее электрона, а тяжелые ядра почти в 500000 раз массивнее.

Основные свойства

Самой важной характеристикой атома является его атомный номер (обычно обозначаемый буквой Z ), который определяется как количество единиц положительного заряда (протонов) в ядре. Например, если у атома Z из 6, это углерод, а Z из 92 соответствует урану.Нейтральный атом имеет равное количество протонов и электронов, так что положительный и отрицательный заряды точно уравновешиваются. Поскольку именно электроны определяют, как один атом взаимодействует с другим, в конечном итоге именно количество протонов в ядре определяет химические свойства атома.

.

Изучите составные части атома

Три основных части атома — это протоны, нейтроны и электроны. (Хальфдан)

Атом — это основной строительный блок материи. Атомы объединяются, образуя чистые элементы, соединения и сложные формы, такие как компьютеры и телефоны. Атомы — это мельчайшие частицы вещества, которые нельзя разделить химическими методами. Чтобы понять, как атомы взаимодействуют друг с другом, вам сначала нужно понять основные части атома. Есть 3 основных компонента атомов:

• Протоны — Число протонов в атоме часто обозначается буквой Z.Каждый протон несет положительный электрический заряд. Количество протонов определяет тип атома. Например, элемент с 1 протоном — водород. Один с двумя протонами — это гелий. Количество нейтронов и электронов не имеет никакого отношения к типу атома. Фактически, для атома не требуется даже нейтронов или электронов. Наиболее распространенная форма водорода состоит из одного протона и ничего больше. Протон состоит из составляющих элементарных частиц: 2 верхних кварка и 1 нижний кварк.
• Нейтроны — Количество нейтронов в атоме обычно обозначается буквой N.Нейтрон примерно такого же размера, как протон, но электрически нейтрален. Каждый нейтрон состоит из 1 верхнего кварка и 2 нижних кварков.
• Электроны — Электроны чрезвычайно малы по сравнению с протонами или нейтронами. Масса электрона составляет всего 1/1836 массы протона. Каждый электрон несет отрицательный электрический заряд. Каждый электрон состоит из одной элементарной частицы.

Атомное массовое число атома обозначается символом A и равно сумме числа протонов и нейтронов или Z + N.

Ядро и электронная оболочка

Части каждого атома расположены так, что образуют центральное ядро ​​или атомное ядро ​​и внешний набор электронных оболочек.

• Атомное ядро ​​ — Протоны и нейтроны вместе называются нуклонами, потому что они связываются вместе, образуя ядро ​​каждого атома.
• Электронное облако — Электронные оболочки описывают области, в которых наиболее вероятно находится электрон. Самая внутренняя оболочка, оболочка K, вмещает до 2 электронов.Следующая оболочка, L-оболочка, вмещает до 8 электронов. На самом деле электроны быстро вращаются вокруг ядра атома, но у них нет четко определенной орбиты, как у Земли вокруг Солнца. Электрон может находиться где угодно (вкратце, внутри ядра). Высокая кинетическая энергия частиц образует своего рода внешний слой или облако вокруг атома. Атомы кажутся твердыми, как маленькие шарики, из-за движения электронов. Это похоже на то, как лопасть вентилятора выглядит как сплошной диск, когда вентилятор находится в движении.

Противоположности притягиваются

Противоположные электрические заряды притягиваются друг к другу, поэтому протоны и электроны притягиваются друг к другу. Они не встречаются, потому что электроны движутся слишком быстро. Это что-то вроде Луны и Земли. Луна притягивается к Земле под действием силы тяжести, но два тела не врезаются друг в друга из-за своего движения. Луна постоянно падает вокруг Земли, как электроны падают вокруг ядра атома.

Ионы и изотопы

Ионы и изотопы образуются при изменении числа различных частей атома.

Ионы — Ион образуется, когда количество электронов отличается от количества протонов. Если протонов больше, чем электронов, образуется положительно заряженный ион, называемый катионом . Если электронов больше, чем протонов, суммарный заряд отрицательный, и разновидность называется анионом . Ионы могут быть образованы из отдельных атомов или связанных групп атомов. Ион отдельного атома называется атомарным ионом.

Изотопы — Изотопы — это атомы с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов.Есть стабильные изотопы, где количество протонов и нейтронов остается неизменным с течением времени, или радиоизотопы. Радиоизотоп — это нестабильный или радиоактивный изотоп, который распадается на более стабильный изотоп, выделяя энергию, а иногда и частицы.

.