§ 29. Строение атома

Определения и обозначения

Атомное ядро — центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена почти вся его масса. Оно занимает очень малую область внутри атома, но определяет его общий положительный заряд и массу. Поэтому ядро рассматривают отдельно от электронной оболочки.

Протон — частица ядра с положительным элементарным зарядом +e. Число протонов обозначают буквой Z и называют зарядовым числом. По нему определяют, какому химическому элементу принадлежит атом.

Нейтрон — частица ядра, не имеющая электрического заряда. Его масса близка к массе протона, поэтому нейтроны заметно увеличивают массу ядра, не изменяя его электрический заряд. Число нейтронов часто обозначают буквой N.

Ядерная модель атома — представление об атоме как о компактном положительно заряженном ядре и окружающих его электронах. Эта модель объясняет результаты опыта Резерфорда: большую часть пространства атома частицы проходят свободно, а сильное воздействие возникает только рядом с ядром.

Как это устроено

В опыте Резерфорда поток альфа-частиц направляли на тонкую металлическую фольгу и регистрировали направление их движения после прохождения. Большинство частиц почти не отклонялось, но некоторые меняли направление, причём отдельные частицы отклонялись на большие углы. Если бы положительный заряд был равномерно распределён по всему атому, такие резкие изменения направления были бы крайне маловероятны.

Редкие сильные отклонения объясняются близким пролётом альфа-частицы к ядру. Альфа-частица имеет положительный заряд, а ядро тоже заряжено положительно, поэтому между ними действует электрическое отталкивание. Чем меньше расстояние между ними, тем сильнее взаимодействие и тем заметнее меняется траектория частицы.

Из результатов опыта следует, что положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень малой области — ядре. Электроны находятся вокруг ядра, но их масса намного меньше массы протонов и нейтронов. Поэтому основная масса атома связана именно с ядром, хотя оно занимает лишь крошечную часть объёма.

Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому пространство между ядром и электронами в масштабах атома почти пусто. Это не означает полного отсутствия физических взаимодействий: электрон связан с ядром электрическими силами. Однако вещества не следует представлять как заполненные сплошные шарики, внутри которых заряд распределён одинаково.

Положительный заряд ядра компенсирует суммарный отрицательный заряд электронов, поэтому обычный атом в целом электрически нейтрален. Если число электронов отличается от числа протонов, образуется заряженная частица — ион. Ядро состоит из протонов и нейтронов: число протонов определяет заряд ядра, а сумма чисел протонов и нейтронов характеризует его массу и называется числом нуклонов.

Частицы, из которых состоит атом

По столбцу заряда можно определить, как частица участвует в электрическом взаимодействии. Сравнение относительных масс показывает, почему почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Последний столбец помогает отличить состав ядра от состава электронной оболочки.

Разбор задач

Задача 1

Условие: в опыте с фольгой из тысячи альфа-частиц почти все прошли прямо, а несколько заметно отклонились. Какой вывод о строении атома следует сделать?

1. Почти прямой путь большинства частиц означает, что они не встретили плотного заряда на своём пути.
2. Следовательно, основная часть объёма атома практически пуста.
3. Редкие большие отклонения требуют существования маленькой области, создающей сильное отталкивание.
4. Такой областью является компактное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Ответ: атом в основном пуст, а его положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в небольшом ядре.

Задача 2

Условие: в атоме 11 электронов и 11 протонов. Определите заряд атома и объясните ответ.

1. Заряд одного протона равен +e, поэтому заряд всех протонов составляет +11e.
2. Заряд одного электрона равен −e, поэтому заряд всех электронов составляет −11e.
3. Складываем заряды: q = +11e − 11e = 0.

Ответ: заряд атома равен нулю, потому что положительный заряд 11 протонов полностью компенсирован отрицательным зарядом 11 электронов.

Задача 3

Условие: ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов. Найдите заряд ядра в единицах элементарного заряда и число нуклонов.

1. Нейтроны заряда не имеют, поэтому заряд ядра определяется только протонами.
2. При 17 протонах заряд ядра равен +17e.
3. Число нуклонов находим сложением: A = 17 + 18 = 35.

Ответ: заряд ядра равен +17e, а число нуклонов — 35.

Типичные ошибки

Считать атом сплошным шаром с равномерно распределённым зарядом — ошибка, потому что такая модель не объясняет редкие большие отклонения альфа-частиц. Её допускают, перенося на атом обычное представление о плотном теле. Проверка проста: спросите себя, сможет ли такая модель объяснить почти свободный пролёт большинства частиц.

Приписывать ядру отрицательный заряд неверно: в нём есть положительные протоны и нейтральные нейтроны. Ошибка возникает из-за смешения заряда ядра с зарядом электронов. Для проверки нужно отдельно посчитать вклад протонов и электронов.

Нельзя считать, что почти вся масса приходится на электроны. Масса электрона примерно в 1836 раз меньше массы протона, а протоны и нейтроны находятся в ядре. Проверяйте, к какой частице относится основная масса: почти всегда ответом будет ядро.

Не следует путать заряд ядра с зарядом атома. Заряд ядра задаётся протонами, а полный заряд атома получается после добавления зарядов электронов. Чтобы не ошибиться, используйте выражение q = Zе − Ne для числа электронов N.

Связь с другими темами

Для изучения строения атома нужны понятия электрического заряда, элементарного заряда и взаимодействия заряженных частиц. Именно электрическое отталкивание объясняет отклонение альфа-частиц возле ядра.

Состав ядра позволяет перейти к изучению изотопов, радиоактивности и ядерных реакций. Изменение числа нейтронов создаёт изотопы, а превращения ядер сопровождаются выделением или поглощением энергии.

Атомная модель необходима для объяснения атомных спектров и квантовых переходов. Электроны могут переходить между состояниями, испуская или поглощая порции энергии определённых частот.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• Ядро положительно заряжено.
• Ядро содержит протоны и нейтроны.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Размер ядра намного меньше размера атома.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.