§ 23. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — электрически нейтральная частица вещества, состоящая из атомного ядра и электронов. Нейтральность означает, что положительный заряд протонов компенсируется отрицательным зарядом электронов. Это определение помогает связать свойства вещества с внутренним строением его частиц.

Электрон — отрицательно заряженная частица, входящая в состав атома. Его заряд равен −e, где e — элементарный заряд. Электроны находятся не внутри ядра, а в пространстве вокруг него и участвуют в образовании химических связей.

Атомное ядро — центральная массивная часть атома, имеющая положительный заряд. Ядро состоит из протонов и нейтронов и занимает очень малую область по сравнению с размером атома. Именно ядро определяет почти всю массу атома.

Нуклон — частица атомного ядра: протон или нейтрон. Протон имеет заряд +e, а нейтрон электрически нейтрален. Подсчёт нуклонов позволяет определить массовое число атома.

Как это устроено

Ядерную модель атома помогли создать опыты по рассеянию частиц. Поток быстрых положительно заряженных частиц направляли на тонкую металлическую фольгу: большинство частиц проходило почти прямо, но небольшая часть резко отклонялась. Значит, положительный заряд и значительная масса сосредоточены в очень маленькой области, способной сильно отклонить пролетающую частицу. Так появилась модель атома с компактным ядром.

Почти все частицы проходили через фольгу без заметного отклонения, потому что внутри атома мало вещества, способного взаимодействовать с ними. Размер ядра намного меньше размера атома, поэтому вероятность попасть непосредственно в ядро мала. Отсюда следует, что почти весь объём атома заполнен не плотным веществом, а областью, где движутся электроны. Утверждение «атом почти пуст» означает именно это, а не отсутствие частиц вообще.

Положительный заряд ядра создают протоны, а нейтроны добавляют массу и участвуют в удержании ядра. Электроны имеют отрицательный заряд и находятся вокруг ядра, потому что притягиваются к его положительному заряду. Их движение и распределение определяют многие химические свойства атома. При этом электронная оболочка занимает почти весь размер атома, а ядро остаётся его центральной частью.

Если в ядре Z протонов и N нейтронов, то массовое число атома равно A = Z + N. Заряд ядра равен +Ze, поскольку каждый протон несёт заряд +e, а нейтроны заряда не добавляют. Масса электрона очень мала по сравнению с массами протона и нейтрона, поэтому почти вся масса атома определяется числом нуклонов. Число протонов задаёт химический элемент, а число нейтронов может меняться.

В нейтральном атоме суммарный заряд равен нулю, поэтому число электронов совпадает с числом протонов. Если электронов становится меньше, атом превращается в положительный ион, а если их становится больше — в отрицательный. Изотопами называют атомы одного элемента с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов. Поэтому изотопы имеют одинаковый заряд ядра, но разные массовые числа и массы.

Частицы, входящие в состав атома

Сначала определяйте, о какой частице идёт речь, а затем смотрите на её заряд и местоположение. Обозначения Z и A относятся к атому: Z — число протонов, A — общее число протонов и нейтронов. Строка «атомное ядро» описывает не отдельную элементарную частицу, а систему нуклонов.

Разбор задач

1. Атом углерода

Условие: определить число протонов, нейтронов и электронов в нейтральном атоме углерода с массовым числом 12 и порядковым номером 6. Порядковый номер обозначим Z = 6, а массовое число — A = 12. Нужно использовать связь между этими числами и составом нейтрального атома.

1. Число протонов равно порядковому номеру: p = Z = 6.
2. Число нейтронов находим как разность: N = A − Z = 12 − 6 = 6.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: e = 6.

Ответ: в атоме углерода 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов. Проверка даёт A = 6 + 6 = 12, а заряды шести протонов и шести электронов взаимно компенсируются.

2. Изотопы хлора

Условие: сравнить состав атомов изотопов хлора с массовыми числами 35 и 37. Порядковый номер хлора равен Z = 17. Требуется найти состав каждого нейтрального атома и указать различие.

1. У обоих атомов 17 протонов, поскольку это один и тот же элемент.
2. В нейтральном состоянии у каждого атома 17 электронов.
3. Для хлора-35: N = 35 − 17 = 18 нейтронов, а для хлора-37: N = 37 − 17 = 20 нейтронов.

Ответ: хлор-35 содержит 17 протонов, 18 нейтронов и 17 электронов. Хлор-37 содержит 17 протонов, 20 нейтронов и 17 электронов; изотопы отличаются двумя нейтронами.

3. Потеря электронов

Условие: атом потерял два электрона; определить знак и величину его заряда, если заряд электрона по модулю равен e. Изначально положительный заряд протонов компенсировался зарядами всех электронов. После потери электронов отрицательного заряда стало на 2e меньше.

1. Каждый ушедший электрон убирает заряд −e, поэтому изменение заряда атома для оставшейся частицы равно +e.
2. При потере двух электронов изменение равно 2 · (+e) = +2e.
3. Положительный результат показывает, что атом превратился в положительный ион.

Ответ: заряд иона равен +2e. Такой ион называют двухзарядным положительным ионом, или катионом.

Типичные ошибки

Считать атом полностью заполненным веществом. Ошибку вызывают привычные изображения атома, где ядро и электроны показаны крупными. Проверяйте себя: ядро намного меньше атома, а большинство частиц при рассеянии проходит почти прямо.

Путать заряд протона с зарядом нейтрона. Оба находятся в ядре, поэтому их свойства иногда смешивают. Запомните: протон имеет заряд +e, нейтрон — 0; при подсчёте заряда ядра учитываются только протоны.

Считать, что массу атома определяют электроны. Такая ошибка возникает из-за того, что электроны входят в состав атома. Сравните относительные массы: электрон примерно в 1836 раз легче протона, поэтому основная масса находится в ядре.

Путать массовое число с числом нейтронов. Массовое число A включает и протоны, и нейтроны, а не только нейтроны. Проверка проста: число нейтронов вычисляется формулой N = A − Z.

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужны знания об электрическом заряде, элементарном заряде и взаимодействии заряженных частиц. Порядковый номер элемента в периодической системе равен числу протонов в его ядре, поэтому физику удобно связывать с химией. Строение ядра понадобится при изучении радиоактивности, ядерных реакций, изотопов и энергетики атомного ядра.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• Ядро имеет положительный заряд, электроны — отрицательный.
• Ядро состоит из протонов и нейтронов.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Изотопы имеют одинаковое число протонов, но различное число нейтронов.