"Физика", Грачёв А.В.,Погожев В.А., Вишнякова Е.А.
Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые находятся вокруг него. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, а его заряд определяется числом протонов. В нейтральном атоме число протонов и электронов одинаково, но потеря или присоединение электронов превращает атом в заряженный ион.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов. Нейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды в целом уравновешены. Понятие атома помогает описывать, из каких частиц состоят вещества и почему элементы отличаются друг от друга.
Атомное ядро — центральная часть атома, содержащая почти всю его массу и имеющая положительный электрический заряд. Ядро очень мало по сравнению с атомом, но в нём сосредоточены тяжёлые частицы — протоны и нейтроны. Зная число частиц в ядре, можно понять массу атома и определить его элемент по числу протонов.
Электрон — элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, образующая электронную оболочку атома. Электроны находятся вокруг ядра, а не внутри него. Они важны для объяснения электрического заряда атомов и образования ионов.
Протон и нейтрон — частицы, входящие в состав ядра: протон имеет положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Протоны определяют положительный заряд ядра и химический элемент, а нейтроны входят в его состав без увеличения заряда. Сопоставляя их количество, можно описать строение ядра.
Представление об атоме как о неделимой частице оказалось недостаточным, когда учёные обнаружили частицы, входящие в его состав. В опытах с электрическими разрядами в газах были выявлены электроны, то есть атомы могли иметь внутреннее устройство. Затем опыты Резерфорда по пропусканию альфа-частиц через тонкую металлическую фольгу дали новые сведения: большинство частиц проходило почти прямо, но некоторые сильно отклонялись. Это объяснили так: положительный заряд и большая часть массы сосредоточены в очень маленькой области — ядре, а вокруг него находится электронная оболочка.
Почти вся масса атома находится в ядре потому, что протоны и нейтроны намного тяжелее электронов. Масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы протона, поэтому вклад электронов в массу атома мал. Положительный заряд также принадлежит ядру: его несут протоны, тогда как нейтроны заряда не имеют. Электронная оболочка вносит отрицательный заряд, но почти не меняет общую массу атома.
Электроны располагаются вокруг ядра, образуя электронную оболочку; это не означает, что атом заполнен плотным веществом. Размер атома намного больше размера ядра, поэтому между ядром и областью, где находятся электроны, очень много пространства. Такое соотношение объясняет результаты опытов: большинство частиц могло пройти через тонкую фольгу, не столкнувшись с ядром, а редкое близкое прохождение вызывало сильное отклонение. Электроны при этом не являются частицами ядра.
Протоны несут положительный заряд, а электроны — такой же по величине отрицательный. Если в атоме их поровну, заряды взаимно компенсируются и полный заряд равен нулю. Поэтому нейтральность атома определяется не отсутствием заряженных частиц, а равным количеством частиц с противоположными зарядами. Нейтроны на это равновесие не влияют, поскольку их заряд равен нулю.
Число протонов в ядре определяет, к какому химическому элементу относится атом: например, у всех атомов одного элемента число протонов одинаково. Число электронов может измениться, если атом отдаёт электроны или присоединяет их. При потере электронов положительных зарядов становится больше, чем отрицательных, и образуется положительный ион. При присоединении электронов отрицательных зарядов становится больше, и возникает отрицательный ион; элемент при этом не меняется, поскольку число протонов осталось прежним.
| Частица | Электрический заряд | Расположение | Относительная масса | Роль в строении атома |
|---|---|---|---|---|
| Электрон | −e | В электронной оболочке | Примерно 1/1840 | Компенсирует заряд протонов; участвует в образовании ионов |
| Протон | +e | В ядре | Примерно 1 | Определяет заряд ядра и химический элемент |
| Нейтрон | 0 | В ядре | Примерно 1 | Вместе с протонами составляет ядро |
| Атомное ядро | Положительный | В центре атома | Почти равна массе атома | Содержит протоны и нейтроны |
| Атом | 0, если нейтральный | Ядро и электронная оболочка | Почти вся масса — в ядре | Частица химического элемента |
Для сравнения частиц смотри на заряд и расположение: протоны и нейтроны находятся в ядре, а электроны — вокруг него. Относительная масса показывает, почему массой электронов обычно можно пренебречь при оценке массы атома. Заряд атома проверяют, сравнивая число протонов и электронов.
Нужно воспользоваться условием нейтральности: отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом протонов. Поэтому сравним число электронов и протонов, а затем найдём заряд ядра. Каждый протон имеет заряд +e.
В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Электронов дано 8, значит, протонов в ядре тоже 8. Нейтроны для этого вывода не нужны.
Заряд ядра создают только протоны, потому что нейтроны не заряжены. Каждый из восьми протонов даёт заряд +e, поэтому заряд ядра равен +8e. Здесь e обозначает величину элементарного заряда.
Ответ: в ядре 8 протонов, заряд ядра +8e.
Положительные заряды создаются протонами, а отрицательные — электронами. Сравним их количество: протонов на один больше. Значит, один положительный элементарный заряд не компенсирован отрицательным.
Учитываем заряды частиц: 11 протонов дают суммарно +11e, а 10 электронов — −10e. Нейтроны, если они есть, на заряд не влияют. Складываем заряды: +11e − 10e = +e.
Полученная частица имеет положительный заряд, поэтому она не является нейтральным атомом. Её можно назвать положительным ионом: электронов в ней меньше, чем протонов. При этом число протонов по-прежнему равно 11, так что химический элемент не изменился.
Ответ: заряд частицы +e; это положительный ион, потому что у неё на один электрон меньше, чем протонов.
В условии отдельно даны частицы ядра, а требуется также описать нейтральный атом. Для числа электронов используем равенство числа протонов и электронов в нейтральном атоме. Заряд ядра и число частиц в нём найдём независимо.
В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Протонов 17, следовательно, электронов тоже 17. Нейтроны на количество электронов не влияют, так как не имеют электрического заряда.
Заряд ядра равен сумме зарядов всех протонов. Каждый протон имеет заряд +e, поэтому 17 протонов дают заряд +17e. Нейтроны не меняют это значение.
Чтобы найти общее число частиц в ядре, складываем протоны и нейтроны: 17 + 18 = 35. Это число нуклонов, то есть протонов и нейтронов вместе. Электроны в это количество не включают, поскольку они находятся вне ядра.
Ответ: в нейтральном атоме 17 электронов; заряд ядра +17e; в ядре 35 частиц.
Ошибка — считать атом положительно заряженным только потому, что в нём есть протоны. Так рассуждают, забывая учесть отрицательный заряд электронов. Проверь себя: в нейтральном атоме число протонов и электронов одинаково, поэтому их заряды компенсируются.
Ошибка — помещать электроны внутрь ядра. Её допускают, смешивая всё содержимое атома в одну область. Проверь себя: ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны образуют оболочку вокруг него.
Ошибка — считать протон и нейтрон одинаково заряженными. Их объединяет расположение в ядре, но не электрический заряд: протон положительный, нейтрон нейтральный. Чтобы не путаться, отдельно указывай заряд каждой частицы, а не только её место в атоме.
Ошибка — приписывать электронам почти всю массу атома. Иногда внимание сосредоточено на многочисленных электронах, а не на их малой массе. Сверь относительные массы: электрон примерно в 1840 раз легче протона, поэтому почти вся масса атома приходится на ядро.
Для понимания строения атома нужно знать, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным, и уметь складывать заряды. Эти знания позволяют объяснить, почему нейтральный атом может состоять из заряженных частиц. Они же помогают определить знак заряда иона по числу протонов и электронов.
Строение атома пригодится при изучении электризации тел, ионов и электрического тока в веществах. Оно объясняет, как возникает избыток или недостаток электронов и почему заряженные частицы могут участвовать в переносе электрического заряда. Позже эти представления связываются с изучением химических элементов, радиоактивности и ядерной энергетики.
Почему атом в целом обычно не имеет электрического заряда?
В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов. Положительные заряды протонов и отрицательные заряды электронов равны по величине и взаимно компенсируются.
Что находится внутри атомного ядра?
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны электрически нейтральны.
Почему ядро положительно заряжено?
В ядре находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. Поэтому общий заряд ядра определяется протонами и является положительным.
Какая частица определяет химический элемент?
Химический элемент определяется числом протонов в ядре атома. Если число протонов изменилось, это уже атом другого элемента.
Чем атом отличается от положительно или отрицательно заряженного иона?
У нейтрального атома число протонов и электронов одинаково, а у иона оно не совпадает. Если электронов меньше, чем протонов, ион положительный; если больше — отрицательный.
§ 34. Строение атомов
