§ 52. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Нейтральность означает, что положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов. Это понятие помогает описывать мельчайшие частицы вещества, из которых построены привычные тела.

Атомное ядро — небольшая центральная часть атома, содержащая протоны и нейтроны и почти всю его массу. Ядро очень мало по сравнению с атомом, но именно в нём сосредоточена основная масса. Это нужно учитывать, сравнивая размеры атома и его составных частей.

Протон, нейтрон и электрон — частицы атома: протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет заряда, электрон имеет отрицательный заряд. Протоны и нейтроны образуют ядро, а электроны находятся в электронной оболочке вокруг него. Знание их зарядов позволяет объяснить нейтральность атомов и появление ионов.

Изотоп — разновидность атомов одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому изотопы имеют одинаковый атомный номер, но различную массу. Это понятие позволяет различать атомы одного элемента по составу их ядер.

Как это устроено

Представление об атоме как о неделимой частице изменили опыты с электрическими разрядами в разреженных газах: они показали существование электронов. Затем опыты по рассеянию альфа-частиц на тонкой металлической фольге дали ещё более важную подсказку. Большинство частиц проходило сквозь фольгу, но некоторые резко отклонялись, а отдельные отражались назад. Значит, положительный заряд и почти вся масса собраны в очень маленькой области, а не распределены равномерно по всему атому; так появилась ядерная модель.

Ядро положительно заряжено, потому что содержит протоны, а масса электронов намного меньше массы протонов и нейтронов. Поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре, хотя его размеры чрезвычайно малы. Электроны занимают область вокруг ядра, называемую электронной оболочкой. Их отрицательный заряд притягивается к положительному заряду ядра, что удерживает оболочку около центра.

Если сравнить размеры ядра и атома, окажется, что ядро занимает крошечную долю объёма. Между ядром и областью, где находятся электроны, нет сплошного вещества, поэтому говорят, что атом в основном состоит из пустого пространства. Электроны при этом нельзя представлять как неподвижные точки или планеты, летящие по обычным орбитам. Они находятся в устойчивых состояниях электронной оболочки, и такое устройство объясняет, почему атом не разрушается из-за падения электронов на ядро.

Число протонов в ядре называют атомным номером; оно однозначно задаёт химический элемент. Например, у любого атома с 8 протонами ядро кислорода, а с 11 протонами — натрия. В нейтральном атоме число электронов совпадает с числом протонов, поэтому их заряды взаимно компенсируются. Если атом отдаёт или присоединяет электроны, число протонов не меняется, но возникает заряженная частица — ион.

Состав ядра задают числом протонов и нейтронов. Массовое число — это общее число этих частиц: A = Z + N, где Z — число протонов, а N — число нейтронов. У атомов одного элемента Z одинаково, но N может быть разным; такие разновидности называются изотопами. Например, ядра с 17 протонами относятся к хлору и при 18 или 20 нейтронах имеют разные массовые числа.

Основные частицы атома

Сначала по таблице определите, где расположена нужная частица, затем сравните её заряд с зарядами остальных. Относительная масса показывает, почему электроны почти не влияют на массу атома. Знак «≈» означает, что значение дано приближённо.

Разбор задач

Задача 1. Атом содержит 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Определите его заряд и массовое число. Чтобы найти заряд, сравним суммарные положительные и отрицательные заряды, а для массового числа учтём только протоны и нейтроны. Масса электронов в таком подсчёте не учитывается.

1. Восемь протонов дают заряд +8, а восемь электронов — заряд −8. Их сумма равна нулю, поэтому атом нейтрален.

2. Сложим число протонов и нейтронов: A = 8 + 8 = 16. Это массовое число атома.

Ответ: заряд атома равен нулю, массовое число равно 16.

Задача 2. Определите число протонов, нейтронов и электронов в ионе натрия ²³₁₁Na⁺. Нижний индекс показывает атомный номер, верхний — массовое число, а знак «+» говорит, что частица имеет положительный заряд. Поэтому сначала найдём состав ядра, а затем учтём изменение числа электронов.

1. Число протонов равно нижнему индексу: Z = 11. Для натрия массовое число A = 23.

2. Число нейтронов найдём вычитанием: N = A − Z = 23 − 11 = 12.

3. У нейтрального натрия было бы 11 электронов. Заряд +1 означает, что ион потерял один электрон, значит, осталось 10.

Ответ: 11 протонов, 12 нейтронов и 10 электронов.

Задача 3. Два атома имеют по 17 протонов, но один содержит 18 нейтронов, а другой — 20. Являются ли они атомами одного элемента? Элемент определяется числом протонов, поэтому сравним именно его, а различия в нейтронах используем для проверки, являются ли атомы изотопами. Для полноты найдём массовые числа обоих атомов.

1. В обоих ядрах по 17 протонов, значит, атомы относятся к одному химическому элементу — хлору.

2. Для первого атома A = 17 + 18 = 35, для второго A = 17 + 20 = 37. Массовые числа различны из-за разного числа нейтронов.

3. Атомы одного элемента с различным числом нейтронов — изотопы. Следовательно, данные атомы являются изотопами хлора.

Ответ: да, это атомы одного элемента, изотопы хлора с массовыми числами 35 и 37.

Типичные ошибки

Считают, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Так можно подумать, потому что почти вся масса находится именно в ядре. Но масса и объём — разные характеристики: размеры ядра намного меньше размеров электронной оболочки. Проверяйте, о чём говорится в задаче: о массе или о размерах атома.

Путают знаки зарядов частиц. Ошибка возникает, если запомнить лишь то, что частицы имеют заряд, не связав знак с названием. Протон заряжен положительно, электрон отрицательно, а нейтрон не заряжен. Перед подсчётом общего заряда отдельно запишите знак каждой частицы.

Определяют элемент по числу нейтронов. Нейтронов может быть разное количество у атомов одного элемента, поэтому этот способ приводит к ошибке. Элемент задаётся числом протонов в ядре. Проверьте себя: сравните атомные номера, а не число нейтронов.

Путают массовое число с числом нейтронов. Название может навести на мысль, что массовое число описывает только нейтральные частицы ядра. На самом деле A = Z + N: оно включает и протоны, и нейтроны. Чтобы проверить результат, сложите найденные числа этих частиц и сравните с массовым числом.

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужны понятия электрического заряда, положительных и отрицательных зарядов, а также представление о строении вещества. Число протонов помогает разобраться в периодической системе, а изменение числа электронов объясняет образование ионов. Различия в составе ядер связаны с радиоактивностью. Представления о ядре и частицах атома понадобятся при изучении ядерных реакций и атомной энергетики.

Что запомнить

• Атом состоит из атомного ядра и электронной оболочки.
• Ядро содержит протоны и нейтроны.
• Протон положительно заряжен, электрон отрицательно заряжен, нейтрон электрически нейтрален.
• В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.
• Число протонов определяет химический элемент.
• Массовое число равно сумме числа протонов и нейтронов.
• Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называются изотопами.