§ 28. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из ядра и электронов, находящихся вне ядра. Это понятие помогает описывать, из каких частиц построено вещество и почему разные элементы отличаются друг от друга.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. В ядро входят протоны и нейтроны. Знание о ядре нужно, чтобы понять, где находятся основные частицы атома и почему его масса не распределена равномерно по всему объёму.

Протон — частица ядра с положительным электрическим зарядом. Его относительный заряд равен +1, а относительная масса примерно равна 1. Число протонов важно для описания ядра, а их положительный заряд объясняет, почему ядро заряжено положительно.

Нейтрон — нейтральная частица ядра с относительной массой примерно 1; электрон — отрицательно заряженная частица атома, находящаяся вне ядра. Относительный заряд электрона равен −1, а его масса намного меньше массы протона и нейтрона. Сравнение частиц показывает, что ядро состоит из тяжёлых протонов и нейтронов, а лёгкие электроны занимают область вокруг него.

Как это устроено

Представление о ядре возникло благодаря опытам по рассеянию частиц. Учёные направляли частицы на тонкую металлическую пластинку и наблюдали, как меняется направление их движения. Большинство проходило почти прямо, но некоторые резко отклонялись или отскакивали. Это можно объяснить, если предположить, что атом почти пустой, а его положительный заряд сосредоточен в очень маленькой компактной области — ядре.

Ядро не является неделимой частицей: оно состоит из протонов и нейтронов. Протоны придают ядру положительный заряд, а нейтроны не добавляют ему электрического заряда. Электроны располагаются вне ядра и несут отрицательный заряд. Такое разделение частиц помогает понять, почему ядро заряжено положительно, а атом в целом может быть нейтральным.

У нейтрального атома суммарный заряд равен нулю. Каждый протон имеет заряд +1, а каждый электрон — заряд −1, то есть заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Поэтому одинаковое число протонов и электронов взаимно компенсирует заряд. Если число этих частиц различается, атом уже не будет нейтральным.

Размер ядра очень мал по сравнению с размером атома. При этом почти вся масса атома сосредоточена именно в ядре, потому что протоны и нейтроны значительно тяжелее электронов. Значит, большая часть объёма атома приходится на область вне ядра, а основная масса — на его крошечную центральную часть. Размер и масса здесь распределены по-разному.

Упрощённо атом представляют как ядро и электроны вокруг него. Такая модель помогает увидеть, какие частицы входят в состав атома и где они расположены. Однако не следует считать, что электроны точно движутся по круговым планетным орбитам: это лишь наглядное упрощение, а не точная картина их движения. Для понимания основных свойств атома достаточно различать ядро, его частицы и электроны вне ядра.

Частицы, входящие в состав атома

Чтобы пользоваться таблицей, сначала сравни, где расположена частица, а затем — какой у неё заряд. Относительные массы показывают, что протон и нейтрон примерно одинаковы по массе, а электрон намного легче. Числа заряда помогают проверить, компенсируют ли протоны и электроны друг друга в атоме.

Разбор задач

Задача 1. В ядре атома 6 протонов. Сколько электронов в нейтральном атоме? В условии дано число положительно заряженных частиц, а требуется найти число отрицательно заряженных. Чтобы атом был нейтральным, эти заряды должны компенсироваться.

1. Вспомним условие нейтральности: число протонов равно числу электронов.
2. Подставим известное число протонов: их 6, значит, электронов тоже 6.
3. Проверим: 6 зарядов +1 и 6 зарядов −1 дают суммарный заряд 0.

Ответ: в нейтральном атоме 6 электронов.

Задача 2. В атоме 8 протонов и 8 нейтронов. Сколько частиц находится в его ядре и каков заряд ядра? Сначала найдём общее число частиц ядра: для этого складывают протоны и нейтроны. Затем определим заряд: его дают протоны, а нейтроны электрически нейтральны.

1. Сложим числа протонов и нейтронов: 8 + 8 = 16 частиц в ядре.
2. Учтём, что каждый протон имеет заряд +1, поэтому 8 протонов дают заряд +8.
3. Нейтроны не имеют заряда и не изменяют результат.

Ответ: в ядре 16 частиц, его заряд равен +8 в относительных единицах.

Задача 3. В нейтральном атоме 11 электронов. Определим число протонов и выясним, что изменится, если атом потеряет один электрон. Равенство протонов и электронов позволяет найти число протонов до потери. После потери нужно отдельно сравнить заряды оставшихся частиц.

1. Поскольку атом нейтрален, число протонов равно числу электронов: протонов 11.
2. После потери одного электрона остаётся 10 электронов, а число протонов не меняется — их по-прежнему 11.
3. Заряды 11 протонов и 10 электронов не компенсируются: положительный заряд превышает отрицательный на один.

Ответ: сначала в атоме 11 протонов; после потери электрона он становится положительно заряженным.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электроны входят в состав ядра. Такое представление может возникнуть из-за того, что все частицы объединяют словом «составляющие атома». Но в ядре находятся только протоны и нейтроны, а электроны расположены вне него. Проверь себя: если речь идёт о ядре, назови его частицы отдельно от электронов.

Ошибка: приписывать нейтрону электрический заряд. Иногда нейтрон путают с протоном, потому что обе частицы находятся в ядре и имеют близкую массу. Однако нейтрон не заряжен, а положительный заряд ядра создают протоны. Проверка простая: в таблице у нейтрона заряд равен 0.

Ошибка: путать заряд ядра с зарядом нейтрального атома. Ядро всегда имеет положительный заряд из-за протонов, но у нейтрального атома есть ещё электроны, и их отрицательный заряд компенсирует положительный. Причина путаницы — смешение части атома и атома целиком. Проверяй, о чём спрашивают: о ядре или обо всём атоме.

Ошибка: считать, что почти вся масса атома приходится на электроны. Электроны находятся вне ядра, поэтому может показаться, что они составляют основную часть атома. Но каждый электрон намного легче протона и нейтрона, а почти вся масса сосредоточена в ядре. Сверь относительные массы частиц, прежде чем делать вывод.

Связь с другими темами

Для изучения строения атома нужно знать, что тела состоят из частиц, а электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Это помогает объяснить, почему заряды протонов и электронов могут компенсировать друг друга. Позже строение атома понадобится при изучении электрического тока, электризации и взаимодействия заряженных частиц. Представление о ядре и электронах также станет основой для дальнейшего изучения химических элементов и строения вещества.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• В ядре находятся протоны и нейтроны.
• Протон заряжен положительно, электрон — отрицательно, нейтрон не имеет заряда.
• В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.
• Ядро значительно меньше атома.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.