13

Глава 1. Строение и взаимодействие атомов и молекул

Одним из величайших достижений естествознания на рубеже XIX и XX вв. стало доказательство того факта, что все вещества в окружающем нас мире и мы сами построены из атомов и молекул – маленьких частиц, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольших расстояниях друг от друга, но отталкиваются, если одну из них плотнее прижать к другой.

По современным представлениям молекула – это наименьшая частица вещества, способная к самостоятельному существованию и обладающая всеми химическими свойствами данного вещества. Мы окружены молекулами и большая часть того, с чем мы соприкасаемся, построена из молекул. Молекулы представляют собой характерные сочетания из нескольких атомов, связанных друг с другом достаточно прочными химическими связями. Атомы одного сорта называют химическим элементом. Таким образом, атом – это наименьшая частица химического элемента, обладающая всеми химическими свойствами данного элемента.

Долгое время атомы никто не видел, а их изучение осуществлялось косвенными методами. С помощью спектроскопии, т.е. изучения света, поглощаемого и излучаемого атомами и молекулами, удалось сделать выводы о внутренней структуре атомов и выяснить расположение атомов в отдельных молекулах. Методом дифракции рентгеновских лучей были рассчитаны плотности распределения связанных с атомами электронов. Однако значительные успехи электронной микроскопии привели, наконец, к долгожданной цели – ученым удалось получить изображения индивидуальных атомов и молекул (рис.1.1).

Размеры и массы атомов чрезвычайно малы. По порядку величины они равны 10^–8 см и 10^–24 г соответственно. Но, несмотря на свою чрезвычайную малость, эти числа не произвольны: именно такие малые диаметры и массы нужно приписать атомам и молекулам, чтобы свойства веществ, которые из них состоят, оказались такими, какими мы их наблюдаем в природе. Ну, а коль скоро свойства веществ определяются, в конечном итоге, свойствами атомов, изучение строения и свойств твердых тел мы начнем с обзора сведений о строении отдельных атомов и с изучения свойств атомов, расположенных внутри веществ.

§1 Строение и химические свойства атомов

Еще в 1909 г., после опытов великого английского физика Эрнеста Резерфорда по рассеянию падающих на металлическую фольгу -частиц, стало ясно, что атомы состоят из плотного положительно заряженного ядра и электронного облака, образованного движущимися вокруг ядра электронами. Из чего же состоит атомное ядро и как в пространстве вокруг ядра распределены атомные электроны?

1 Строение атомного ядра

Размеры атомного ядра примерно в 100000 раз меньше размеров атома. В состав ядра входят положительно заряженные протоны, масса которых приблизительно равна 1,6710^–27 кг, и не имеющие заряда нейтроны с массой около 1,68·10^–27 кг. Эти частицы удерживаются в ядре благодаря сильному ядерному взаимодействию.

Суммарное число A протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом. Это число определяет массу атома, так как практически вся масса атома сосредоточена в его ядре.

а)	б)
Рис. 1.1. Современные методы электронной микроскопии высокого разрешения (а) и сканирующей туннельной микроскопии (б) позволяют видеть даже отдельные атомы. На приведенных здесь микрофотографиях поверхности чистого кремнезема (а) и кремния (б) видны атомы кремния. (На микрофотографии (б) высота холмиков, лежащих на изучаемой поверхности, равна диаметру одного атома.)

Заряд ядра определяется числом Z входящих в его состав протонов. Это число называют зарядовым числом. Заряд ядра равен суммарному заряду атомных электронов Ze, благодаря чему свободные атомы электронейтральны.