"Физика", Изергин Э.Т.
Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента. Он состоит из положительно заряженного ядра и электронов, движущихся вокруг него. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а его нейтральность объясняется равенством числа протонов и электронов. Знание строения атома помогает понять электрический ток, образование ионов и свойства веществ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — мельчайшая электрически нейтральная частица химического элемента, состоящая из ядра и электронов. Нейтральность означает, что положительные и отрицательные заряды внутри обычно уравновешены. Это понятие нужно, чтобы объяснить состав вещества и его электрические свойства.
Атомное ядро — центральная, очень маленькая и массивная часть атома, имеющая положительный заряд. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, хотя по размеру оно гораздо меньше самого атома. Представление о ядре помогает понять, где находятся основные масса и положительный заряд.
Электрон — частица атома с отрицательным электрическим зарядом, находящаяся вокруг ядра. Электроны образуют внешнюю часть атома и участвуют в электрических явлениях. Их число позволяет определить, будет ли атом нейтральным или превратится в ион.
Протон и нейтрон — частицы, входящие в состав ядра: протон имеет положительный заряд, а нейтрон электрически нейтрален. Вместе они образуют почти всю массу ядра. Различие этих частиц позволяет определить заряд ядра и состав атома.
Раньше атом представляли неделимым, потому что он очень мал и в обычных явлениях сохраняет свойства элемента. Опыты по рассеянию частиц показали, что при прохождении через вещество некоторые частицы резко отклоняются, а большинство проходит почти прямо. Значит, атом не заполнен равномерно: внутри есть маленькая область, способная сильно отталкивать положительно заряженные частицы.
По результатам рассеяния сделали вывод, что положительный заряд сосредоточен в центре атома. Если бы он был распределён по всему объёму, отклонения частиц были бы небольшими и плавными. Редкие сильные отклонения объясняются встречей с плотным ядром, а большое число прямых пролётов — тем, что ядро занимает очень малую часть атома.
Почти вся масса также находится в ядре, поскольку протоны и нейтроны намного тяжелее электронов. Лёгкие электроны не могли бы вызвать наблюдаемые сильные отклонения частиц. Поэтому атом можно мысленно представить как маленькое массивное ядро и значительно большую область вокруг него, где находятся электроны.
Электроны находятся вокруг ядра, потому что отрицательный заряд притягивается к положительному заряду ядра. Но электрон не покоится на поверхности ядра: он движется и существует в определённых состояниях вокруг него. Именно электроны образуют внешнюю часть атома, поэтому они особенно важны при взаимодействии атомов и прохождении электрического тока.
В обычном состоянии атом электрически нейтрален, потому что число протонов в ядре равно числу электронов вокруг него. Заряд каждого протона по величине равен заряду электрона, но имеет противоположный знак. Нейтроны в компенсации не участвуют, однако увеличивают массу ядра; поэтому различие частиц одновременно объясняет заряд, массу и состав атома.
Таблица помогает сравнить частицы по четырём главным признакам: заряду, расположению, массе и роли в атоме. При решении задач сначала определяйте, к какой частице относится данное число, а затем учитывайте только заряженные частицы при нахождении общего заряда. Относительная масса показывает сравнение, а не массу в граммах.
| Свойство | Электрон | Протон | Нейтрон |
|---|---|---|---|
| Электрический заряд | Отрицательный | Положительный | Отсутствует |
| Место в атоме | Вокруг ядра | В ядре | В ядре |
| Относительная масса | Очень малая | Примерно 1 | Примерно 1 |
| Участие в образовании заряда атома | Уменьшает заряд | Увеличивает заряд | Не участвует |
| Роль в составе атома | Образует внешнюю часть | Определяет положительный заряд ядра | Увеличивает массу ядра |
В атоме содержится 6 протонов. Сколько в нём электронов, если атом нейтрален? Каков его общий электрический заряд? Нужно использовать главное свойство нейтрального атома: положительные и отрицательные заряды полностью компенсируются.
Ответ: в атоме 6 электронов; общий электрический заряд равен нулю.
Атом содержит 11 протонов, 12 нейтронов и 11 электронов. Определим состав ядра, его заряд и общий заряд атома. Для этого частицы сначала разделим по месту нахождения, а затем учтём их заряды.
Ответ: ядро содержит 11 протонов и 12 нейтронов; его заряд равен +11e; общий заряд атома равен 0.
В частице 17 протонов, 18 нейтронов и 18 электронов. Требуется определить знак и величину заряда в элементарных зарядах и объяснить отличие от нейтрального атома. Нейтроны при вычислении заряда не учитываются, поскольку они электрически нейтральны.
Ответ: заряд частицы равен −1e. Она отличается от нейтрального атома одним дополнительным электроном и является отрицательным ионом.
Ошибка: считать, что ядро занимает значительную часть объёма атома. Её допускают, потому что именно в ядре сосредоточены масса и заряд, но это не означает большого размера. Проверьте себя: почти весь объём атома приходится на область вокруг очень маленького ядра.
Ошибка: приписывать нейтрону положительный или отрицательный заряд. Иногда его путают с протоном, поскольку обе частицы находятся в ядре. Запомните проверку: нейтрон не изменяет электрический заряд, а только входит в состав массы ядра.
Ошибка: считать массу электрона такой же, как массу протона или нейтрона. Такое рассуждение возникает из-за того, что все три частицы входят в состав атома. Сравните их относительные массы: масса электрона намного меньше, поэтому почти вся масса атома находится в ядре.
Ошибка: утверждать, что любой атом имеет заряд. Наличие заряженных частиц ещё не означает наличие общего заряда, потому что в нейтральном атоме протоны и электроны компенсируются. Проверяйте равенство их чисел: если оно выполняется, общий заряд равен нулю.
До изучения строения атома нужно знать, что вещества состоят из частиц, а электрический заряд бывает положительным и отрицательным. Эти представления позволяют понять, почему частицы притягиваются или отталкиваются. Без них трудно объяснить нейтральность атома.
Строение атома понадобится при изучении электрического тока и проводимости. Перемещение электронов связано с прохождением тока, а потеря или приобретение электронов приводит к образованию ионов. Поэтому тема помогает перейти от устройства вещества к электрическим явлениям.
Состав атома связан с химией и периодической системой элементов: число протонов определяет химический элемент. Позже эти знания пригодятся при изучении ядерных явлений. Изменения в ядре и изменения числа электронов имеют разный смысл и приводят к разным последствиям.
Почему атом называют нейтральным, если в нём есть заряженные частицы?
В атоме есть положительно заряженные протоны и отрицательно заряженные электроны. В обычном атоме их числа равны, поэтому противоположные заряды полностью компенсируются.
Почему электроны не падают прямо на ядро?
Электроны находятся в движении и могут существовать только в определённых состояниях вокруг ядра. Поэтому они не ведут себя как неподвижные шарики, которые просто притягиваются к центру.
Чем протон отличается от нейтрона?
Протон имеет положительный электрический заряд, а нейтрон заряда не имеет. Обе частицы входят в состав ядра и обладают примерно одинаковой массой.
Почему ядро имеет положительный заряд?
В ядре находятся протоны и нейтроны. Положительный заряд протонов складывается, а нейтроны его не изменяют, поэтому заряд ядра положителен.
Что произойдёт с зарядом атома, если он потеряет или приобретёт электрон?
При потере электрона положительный заряд протонов станет больше отрицательного заряда электронов, и частица превратится в положительный ион. При приобретении электрона возникнет отрицательный ион.
§ 22. Строение атома
