Современное понятие атома

В 1930 году было установлено, что даже такая малая частица, как атомное ядро, имеет внутреннее строение. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов. Поскольку заряд одного протона равен +1, число протонов определяет заряд ядра. В ядре атома водорода находится 1 протон, следовательно, заряд атомного ядра водорода равен +1. Сегодня известно, что самый большой заряд имеет ядро, содержащее 118 протонов (заряд ядра +118).

Количество протонов, «запакованных» в ядрах атомов, определяет вид атомов. Если измерительная аппаратура фиксирует на Земле или в космосе атомы, в ядрах которых находится 1 протон, это всегда водород, если 8 протонов – кислород, если 26 протонов – железо. Таким образом, заряд ядра является важнейшей характеристикой атома.

Масса протона приблизительно равна массе нейтрона и превосходит массу электрона примерно в 2000 раз. Поскольку почти вся масса атома сосредоточена в ядре, оно обладает сверхплотностью. Если бы из атомных ядер можно было изготовить кубик объемом 1 см³, он весил бы столько же, сколько миллион синих акул (одна синяя акула весит приблизительно 100 т).

Электроны, движущиеся вокруг атомного ядра, образуют электронную облочку, которая окутывает ядро. Если представить атомное ядро в виде маленькой тяжелой дробинки, то электронную облочку можно сравнить с вращающимся с большой скоростью вокруг нее пылевым вихрем. В простейшем случае электронная облочка имеет форму шара. Электронная оболочка более сложных атомов состоит из нескольких электронных слоев.

Идею слоистого строения электронной оболочки атома выдвинул в 1913 году датский физик-атомщик Нильс Бор (1885–1962). Согласно ей, в каждом слое движутся электроны с близкими по величине энергиями. Чем большей энергией обладает электрон, тем дальше он может удаляться от ядра. Точно так же чем больше у вас энергии, тем длиннее расстояние вы сможете пробежать. Поэтому в упрощенных моделях атомов электронные слои обозначаются окружностями, находящимися на разных расстояниях от ядра.

В действительности все гораздо сложнее. На самом деле электроны движутся не строго по окружностям, а по случайным траекториям в определенном пространстве. Эти пространства (орбитали) имеют разные формы и находятся на разном удалении от ядра. На рисунке в начале параграфа 2 изображены формы пространств, в которых с наибольшей вероятностью движутся 6 электронов атома углерода.

При заполнении электронных слоев соблюдается закономерность: в каждом слое помещается определенное число электронов. Наибольшее число электронов в слое определяется по формуле 2n², где n – номер слоя, начиная от ядра. В четырех первых электронных слоях, если они полностью заполнены, электроны распределяются следующим образом:

1-й электронный слой: n = 1 2 n² = 2 · 1² = 2 электрона
​2-й электронный слой: n = 2 2 n² = 2 · 2² = 8 электронов
​3-й электронный слой: n = 3 2 n² = 2 · 3² = 18 электронов
​4-й электронный слой: n = 4 2 n² = 2 · 4² = 32 электрона

Подобно тому, как вода стекает сверху вниз, так и электроны заполняют слои по мере возрастания энергетического уровня слоев – от ядра к периферии. Первым заполняется самый близкий к ядру электронный слой, затем – следующий и так далее. Предпоследний и последний (внешний) электронные слои часто остаются полупустыми, т. е. содержат меньше электронов, чем могут вместить. Число электронов во внешнем электронном слое определяется не по формуле 2n², а по другим правилам. Во внешнем электронном слое не может быть больше 8 электронов.

Как уже было сказано, в упрощенных моделях атомов электронные слои изображаются в виде окружностей, центром которых является атомное ядро. На этих окружностях обозначается число электронов.

Атом водорода. Атомное ядро содержит 1 протон (заряд ядра +1). Вокруг ядра движется 1 электрон (заряд электрона –1), который и образует первый электронный слой.

Атом гелия. Атомное ядро содержит 2 протона (заряд ядра +2). Вокруг ядра движутся 2 электрона. Максимальное число электронов в первом слое равно 2, поэтому первый слой полностью заполнен.

Атом лития. Атомное ядро содержит 3 протона (заряд ядра +3). Вокруг ядра движутся 3 электрона, распределен-ные по двум слоям: в первом – 2, во втором – 1 электрон. Второй электронный слой заполнен не полностью, так как способен вместить 8 электронов.

Атом неона. Атомное ядро содержит 10 протонов (заряд ядра +10). Вокруг ядра движутся 10 электронов, распределенные по двум слоям: в первом – 2, во втором – 8 электронов. Оба слоя заполнены электронами полностью.

Число электронов в слоях нужно знать потому, что в ходе химических реакций в электронных оболочках атомов происходят изменения. В реакциях участвуют в основном электроны внешних слоев.

Более совершенные модели атомов отражают также число нейтронов в ядре. Например, ядро атома гелия кроме 2 протонов содержит и 2 нейтрона. Ядро атома углерода состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Электроны движутся вокруг ядра в двух слоях: в первом – 2, во втором – 4 электрона.

Анализируя модели атомов, вы, наверное, заметили, что атомы содержат одинаковое число протонов и электронов. Заряды этих частиц равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку (заряд протона +1, заряд электрона –1), поэтому сам атом заряда не имеет.