Строение вещества Строение атома

Слово "атом" в переводе с греческого означает "неделимый". Атом считался неделимой частицей вплоть до начала ХХ в. В конце ХIХ - начале ХХ вв. были сделаны открытия, которые доказали сложное строение атома.

Опыты английского ученого М.Фарадея в 30-х годах ХIХ в. привели к выводу, что электричество существует в виде отдельных единичных зарядов.

В 1896 г. французский физик А.Беккерель, наблюдая излучение урановой соли, открыл радиоактивность - самопроизвольный распад атомов некоторых элементов (урана).

Природа α-, β- и γ-лучей, образующихся при радиоактивном распаде, была установлена в конце ХIХ - начале ХХ вв. французскими физиками П.Кюри и М.Склодовской-Кюри (ими был предложен термин "радиоактивность", открыты еще два радиоактивных элемента - полоний и радий) и английским физиком Э.Резерфордом.

В это же время английский физик Д.Томсон открыл первую элементарную частицу - электрон, а Р.Милликен определил ее заряд. Томсон предложил первую, недолго просуществовавшую модель строения атома, согласно которой отрицательно заряженные электроны располагаются внутри положительно заряженной сферы.

Э.Резерфорд своим знаменитым опытом по рассеиванию α-частиц тонкими металлическими пластинками доказал существование положительно заряженного ядра в атоме и в 1911 г. предложил модель атома, получившую название планетарной, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг него по круговым орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Ядро имеет очень малый размер, но в нем сосредоточена практически вся масса атома.

В 1914 г. Г.Мозли, подтвердив предположения А.ван-ден-Брука и Н.Бора, установил идентичность заряда ядра атома и атомного номера элемента.

В 1920 г. Э.Резерфорд открыл протон, а в 1932 г. Чедвик - нейтрон.

Современная модель строения атома:

1. Атом - сложная система находящихся в движении и взаимодействии элементарных частиц.

2. В центре атома находится положительно заряженное ядро, занимающее ничтожную часть пространства внутри атома (его диаметр составляет около 10^-5 диаметра атома). В ядре сосредоточены весь положительный заряд и почти вся масса атома (плотность ядра огромна).

3. В электрическом поле положительно заряженного ядра движутся с огромными скоростями отрицательно заряженные электроны, занимая некоторые области пространства, называемые электронными орбиталями.

Ядро состоит из двух видов элементарных частиц: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов (общее название - нуклоны). Их массы близки и принимаются равными 1 а.е.м.. Поэтому сумма масс протонов и нейтронов равна сумме числа протонов Z и числа нейтронов N и называется массовым числом A: A = Z + N

Существуют разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие в ядре одинаковое число протонов, но различное число нейтронов, и, следовательно, отличающиеся по массе. Они называются изотопами. Массовое число для каждого изотопа имеет целое значение за счет "дефекта массы". Относительные атомные массы элементов - не целые, а дробные числа, т.к. большинство элементов встречается в природе в виде смеси изотопов.

Масса электрона ~ в 2000 раз меньше массы нуклона и обычно не учитывается, поэтому масса атома определяется массой ядра.

Заряды протона и электрона - наименьшие электрические заряды, существующие в природе, - противоположны по знаку и равны по модулю, в атомной системе единиц принимаются равными соответственно +1 и -1 . Поэтому число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.к. атом электронейтрален.

Заряд ядра в относительных единицах равен числу протонов в нем (т.е. сумме единичных зарядов) и в соответствии с законом Мозли равен атомному номеру элемента в периодической системе.

атомный номер = заряд ядра = число протонов в ядре = число электронов в атоме

Таблица 1. Характеристики элементарных частиц

Частица	Обозначение	Заряд		Масса
		в системе СИ, Кл	в атомной системе единиц	в системе СИ, кг	в атомной системе единиц, а.е.м.
Протон	р, 11р, 11Н	+ 1,6.10-19	+ 1	1,67265.10-27	1,007276
Нейтрон	n, 10n	0	0	1,67495.10-27	1,008665
Электрон	e, e-, β-	- 1,6.10-19	- 1	9,10953.10-31	0,000549

Принято следующее обозначение ядер изотопов (на примере изотопа урана - 238): ²³⁸₉₂U , где А=238 - массовое число, Z=92 - заряд ядра и порядковый номер элемента (в ядрах всех изотопов урана по 92 протона и в атомах по 92 электрона), N=238-92=146 - число нейтронов в ядре данного изотопа.

Протоны и нейтроны в ядре связаны ядерными силами, природа которых еще не выяснена, но об энергии связи между нуклонами можно судить по количеству выделяющейся энергии при образовании ядер из протонов и нейтронов, т.е. в результате ядерных реакций. Эта энергия в миллионы раз больше энергии обычных химических реакций. Чем больше выделяется энергии, тем устойчивее ядра.

Некоторые изотопы неустойчивы, их ядра распадаются самопроизвольно. Это естественная радиоактивность: ²²⁶₈₈Ra = ²²₈₆Rn + ⁴₂He Время, за которое распадается половина ядер, называется периодом полураспада.

Радиоактивные превращения могут быть вызваны искусственно, например, "бомбардировкой" атомов протонами, нейтронами или α-частицами (ядрами Не). Первая искусственная ядерная реакция, осуществленная Резерфордом, сопровождалась поглощением энергии: ¹⁴₇N + ⁴₂He = ¹⁷₈O + ¹₁H . В ядерных реакциях соблюдается закон сохранения массы и заряда (сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должны быть равны соответственно сумме масс и сумме зарядов в правой части).

Основные методы получения ядерной энергии - это распад тяжелых ядер на средние по массе (в атомных реакторах) и синтез ядер из более легких ядер (в экспериментальных установках при термоядерных взрывах).

В отличие от ядерных реакций при протекании химических реакций ядра сохраняются в неизменном виде, не происходит превращений элементов. Ядро определяет принадлежность атома определенному химическому элементу. Свойства элемента определяет заряд ядра. Атом Na и ион Na⁺, имеющие одинаковое число протонов, один и тот же заряд ядра, несмотря на разное число электронов, являются частицами элемента натрия. В химических реакциях участвуют внешние части атомов, происходит взаимодействие электронов.