- Из чего состоят атомы?
- Какие частицы входят в состав ядра атома?
- Каково строение электронной оболочки?
Можно ли увидеть атом?
Атомы настолько малы, что их нельзя увидеть даже в привычный нам световой микроскоп. Однако современная техника позволяет нам получить фотографии атомов при помощи сканирующего туннельного микроскопа и атомно-силового микроскопа. Фоновая фотография заголовка данного параграфа получена при помощи сканирующего туннельного микроскопа. На ней мы видим поверхность меди. Такой микроскоп может выделить местоположение единичного атома, исследуя поверхность вещества при помощи крайне слабых электрических импульсов и скользящей над поверхностью материала сверхтонкой иглы.
Атомы как мельчайшие частицы вещества
Атомы – это мельчайшие частицы вещества. Они подобны строительным кирпичикам, и из них состоят все вещества. Соединяясь друг с другом, атомы могут образовывать частицы большего размера – молекулы. Атомы настолько малы, что под обычным микроскопом увидеть их невозможно. Основные сведения об атомах получены в результате сложных исследовательских работ.
Атомы отличаются друг от друга размером, массой и внутренним строением. Диаметр самых маленьких атомов составляет примерно 10–7 мм (0,000 000 1 мм). Это значит, что 10 млн атомов, выстроенных в ряд вплотную друг к другу, образуют цепочку длиной всего 1 мм.
- Атом состоит из молекул.
- Все вещества состоят из частиц.
- Молекула состоит из атомов.
- Атомы можно увидеть с помощью телескопа.
- Диаметр человеческого волоса составляет 100 микрометров (1 микрометр равен 10–6 м) и вмещает миллион атомов диаметром 0,1 нанометра.
Из чего состоят атомы
Атом не является неделимой частицей, а состоит из еще более мелких частиц. В центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные электроны, образующие электронную оболочку атома.
Ядро состоит из ядерных частиц, или нуклонов (от лат. nucleus – ядро). Существует два типа ядерных частиц – протоны и нейтроны. Нейтрон – частица электрически нейтральная и заряда не несет. Протон электрически заряжен. Его заряд по величине равен заряду электрона, но противоположен ему по значению. Величина заряда протона и электрона принята за единичный заряд и называется элементарным электрическим зарядом. Это самый маленький электрический заряд, который может переносить частица в природе. Заряд электрона равен –1, а заряд протона +1.
В центре атома находится ядро, состоящее из нейтронов и протонов. Вокруг ядра вращаются электроны.
Поскольку атом в целом нейтрален, число электронов в электронной оболочке должно равняться заряду ядра Z. Заряд ядра равен сумме зарядов протонов, то есть числу протонов в ядре. Число протонов в ядре называется атомным номером.
Заряд ядра (Z) = число протонов = атомный номер = число электронов
Грамм является слишком большой единицей для измерения массы атома, которая может быть равна примерно 10–24…. 10–23 г. Вычисления с такими малыми числами неудобны. Поэтому для выражения массы атомов используют специальную единицу – атомную единицу массы (сокращенно а. е. м.). Атомная единица массы очень мала и равна примерно 1,66 ∙ 10–24 г.
Масса атома, выраженная в атомных единицах массы, называется атомной массой.
Масса одной ядерной частицы ~ 1 а. е. м. Масса электрона приблизительно в 2000 раз меньше массы ядерной частицы. Значит, масса всего атома практически равна массе ядра. Масса ядра, выраженная в а. е. м., примерно равна числу ядерных частиц, которое называется массовым числом и обозначается буквой А.
Число протонов + число нейтронов = массовое число (A)
Характеристика элементарных частиц
Частица | Обозначение | Заряд частицы | Масса частицы (в а. е. м.) |
Протон | p | +1 | 1 |
Нейтрон | n | 0 | 1 |
Электрон | e– | –1 | ~0,0005 |
Строение электронной оболочки
Между положительно заряженным атомным ядром и отрицательно заряженными электронами действует сила притяжения. Эта сила электрического притяжения удерживает электроны в атоме.
Электроны, обращающиеся с огромной скоростью вокруг атомного ядра, находятся на разных расстояниях от него и образуют электронные слои. Ближайший к ядру электронный слой называется первым, следующий – вторым, и т. д.
На схеме модели строения атома электронные слои обычно изображают в виде окружностей, на которых кружочками отмечено количество электронов (это, конечно, не означает, что все электроны, принадлежащие одному слою, движутся по одной и той же орбите).
Каждый электронный слой вмещает определенное число электронов. В первом слое может находиться не более двух электронов. Если в атоме электронов больше, остальные размещаются в следующем слое. Второй электронный слой может содержать не более восьми электронов. Если и этот слой заполнится, оставшиеся электроны разместятся в третьем слое и т. д. Каждый следующий электронный слой вмещает все больше электронов (3-й слой – 18 электронов, 4-й – до 32 электронов).
Самый удаленный от ядра электронный слой называется внешним электронным слоем и может содержать не более восьми электронов (исключением является лишь случай, когда первый электронный слой одновременно является и последним; в этом случае он вмещает в себя только два электрона).
Атом бора имеет 5 электронов. Они расположены в двух электронных слоях. В первом электронном слое размещено электрона(ов). Остальные электрона(ов) расположены во втором (внешнем) электронном слое.
В атоме фосфора содержится 15 электронов. Первый электронный слой вмещает электрона(ов), второй электронный слой – электрона(ов) и третий (внешний) электронный слой – электрона(ов).
Подумай!
Почему электронные слои в атоме заполняются по мере их удаления от атомного ядра – сначала первый, затем второй и т. д.?
Дополнительное чтение. Из истории открытия атома
Примерно 2400 лет назад древнегреческий философ Демокрит высказал мысль о том, что все вещества состоят из мельчайших, неделимых и неизменных частиц – атомов (от греч. atomos – неделимый). Его выводы основывались не на экспериментах, а на философских рассуждениях.
Основы современного атомного учения были созданы английским ученым Джоном Дальтоном в начале XIX века. Из результатов проведенных опытов он сделал вывод, что все вещества состоят из неделимых частиц – атомов, которые отличаются друг от друга массой и размером. Соединяясь, атомы образуют так называемые сложные атомы (в современном понимании – молекулы), или химические соединения.
В конце XIX века было установлено, что атомы не являются неделимыми частицами. Английский ученый Джозеф Джон Томсон открыл, что в состав атомов входят еще меньшие частицы – электроны. Установив, что электрон имеет отрицательный заряд, а сам атом электрически нейтрален, Томсон предположил, что остальная часть атома заряжена положительно. Модель атома, созданную Томсоном, называют «моделью пудинга». Роль «пудинга» играет атом с равномерно распределенным положительным зарядом, а электроны выступают в роли «изюминок».
В начале XX века английский физик Эрнест Резерфорд доказал, что внутри атома имеются пустоты, а вся его масса сосредоточена в положительно заряженном атомном ядре. Оно находится в центре атома и имеет очень большую плотность. Размер атомного ядра, по сравнению с размером атома, очень мал: диаметр ядра примерно в 100 000 раз меньше диаметра самого атома (диаметр ядра – величина порядка 10–11 … 10–12 мм, а диаметр атома – величина порядка 10–6 … 10–7 мм). Различие в размерах атомного ядра и самого атома можно охарактеризовать следующим сравнением: если бы атомное ядро было величиной с булавочную головку (диаметром примерно 1 мм), диаметр атома можно было бы сравнить с длиной футбольной площадки (~ 100 м).
На основе новых научных открытий Эрнест Резерфорд предложил ядерную планетарную модель атома, которую позднее усовершенствовал датский ученый Нильс Хенрик Давид Бор. Согласно этой модели, электроны обращаются вокруг ядра атома по круговым орбитам подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца. Хотя модель Бора очень хорошо описывала атом с одним электроном (атом водорода), она не описывала свойства более сложных атомов. Поэтому в течение нескольких десятилетий была создана новая, более полная модель атома, основы которой остались прежними и по сей день.
Современное представление об атомах намного сложнее. Невозможно точно определить, по какой траектории движутся электроны. Они движутся с такой огромной скоростью, что образуют вокруг ядра облачко отрицательного заряда, которое называют электронным облаком. Для образного сравнения можно использовать пример из повседневной жизни: при быстрой езде на велосипеде невозможно уследить за движением спиц колеса. У наблюдателя создается впечатление, будто они равномерно покрывают все колесо. В этой модели описывается не движение электронов в атоме, а вероятность нахождения электрона в определенной части пространства.
Современная модель атома основана на сложных математических расчетах и не настолько наглядна, как модель Бора. Поэтому для объяснения строения атомов и в наше время часто пользуются моделью Бора, которая вполне пригодна для рассмотрения простых проблем.
Выводы
- Массовое число A = число протонов + число нейтронов = число ядерных частиц
- Атомный номер Z = заряд ядра = число протонов
- Число электронов = число протонов = Z
- Число электронов в электронных слоях:
- в первом электронном слое – до 2 электронов.
- во втором электронном слое – до 8 электронов.
- в третьем электронном слое – до 18 электронов.
- в четвертом до 32 электронов.
- ...
- во внешнем (самом дальнем от ядра) электронном слое – до 8 электронов.
Вопросы
- Охарактеризуй размеры и массу атомов. Имеет ли смысл использовать в этом случае такие единицы, как 1 см и 1 г?
- Чем различаются атомы?
- Что такое атомная масса?
- Сравни размеры атома с размерами атомного ядра.
- Из чего состоит атом?
- Из чего состоит атомное ядро? Каковы масса и заряд ядерных частиц и электронов?
- Как определяется заряд атомного ядра? Что такое атомный номер?
- Что такое массовое число? Чем оно отличается от атомной массы?
- Как определяется число электронов в атоме? Чему равен заряд атома?
- Сколько электронов содержится в атоме, ядро которого состоит:
- а) из 8 протонов и 8 нейтронов;
- б) из 13 протонов и 14 нейтронов?
- Каковы массовые числа этих атомов?
- Охарактеризуй строение электронной оболочки.
- Что такое электронный слой? Сколько электронов вмещает первый электронный слой, а сколько – второй? Какое максимальное количество электронов может находиться во внешнем электронном слое?
