6. Вглубь атома

Определения и обозначения

Атом — нейтральная частица вещества, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов. Нейтральность означает, что общий заряд равен нулю. Это понятие помогает описывать, из каких частиц состоят вещества и почему обычный атом не притягивается к другим телам как заряженная частица.

Атомное ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточены почти вся его масса и положительный заряд. Размер ядра очень мал по сравнению с размером всего атома. Понятие ядра нужно, чтобы объяснить, где находятся частицы, образующие основную массу атома.

Протон и нейтрон — частицы, входящие в состав ядра; протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет электрического заряда. Вместе они составляют ядро и дают ему почти всю массу. Их различие по заряду помогает понять, почему ядро положительно заряжено.

Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав атома. Электроны находятся вне ядра и компенсируют его положительный заряд, если их число соответствует числу протонов. Поэтому электрон нужен для объяснения электрической нейтральности атома и появления заряженных частиц.

Как это устроено

Опыты по рассеянию частиц помогли выяснить, как распределён заряд внутри атома. Большинство частиц проходило через вещество почти без отклонения, но некоторые резко меняли направление. Если бы положительный заряд был распределён по всему атому, таких сильных отклонений не наблюдалось бы. Учёные заключили, что заряд и основная масса сосредоточены в очень маленькой области — ядре, а остальная часть атома сравнительно пуста.

Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный, поэтому их действие может взаимно компенсироваться. В нейтральном атоме число протонов и электронов одинаково, а заряды частиц равны по величине и противоположны по знаку. Например, один протон и один электрон вместе дают нулевой общий заряд. Нейтроны на баланс зарядов не влияют, потому что электрического заряда у них нет.

Ядро состоит из протонов и нейтронов, а электроны находятся вне него. Протоны и нейтроны значительно тяжелее электронов, поэтому вклад электронов в общую массу атома очень мал. По этой причине почти вся масса атома приходится на ядро, хотя оно занимает совсем небольшую часть пространства. Такое строение объясняет, почему атом может быть большим по размеру и при этом иметь массу, сосредоточенную в крошечной центральной области.

Число протонов в ядре называют зарядовым числом: именно оно определяет химический элемент. В нейтральном атоме каждому протону соответствует один электрон, поэтому число электронов можно узнать по числу протонов. Если число протонов изменится, ядро станет ядром другого элемента, даже если число нейтронов или электронов тоже окажется другим. Если же меняется только число электронов, элемент остаётся тем же, но атом приобретает электрический заряд.

На схемах атом часто изображают как ядро и электроны, расположенные вокруг него. Такое изображение — модель: она выделяет главные части атома и помогает рассуждать об их зарядах. Но схема не показывает истинные размеры частиц и не описывает точно, как движутся электроны. Поэтому по рисунку нельзя заключать, что атом похож на миниатюрную планетную систему во всех деталях.

Частицы, образующие атом

В таблице собраны три частицы атома: указаны их расположение, заряд и относительная масса. Относительная масса сравнивает массу частицы с выбранной условной единицей; для протона принимают значение примерно 1. Сопоставление помогает увидеть, почему ядро определяет почти всю массу атома, а электроны важны для его заряда.

Разбор задач

Задача 1. В нейтральном атоме ядро содержит 3 протона. Сколько электронов в атоме? Нужно найти число отрицательно заряженных частиц, не забывая, что условие прямо сообщает о нейтральности. Заряд нейтрального атома равен нулю, поэтому заряды протонов и электронов должны уравновесить друг друга.

1. В ядре находятся 3 протона, значит, его суммарный заряд положителен.
2. Для компенсации нужны частицы с отрицательным зарядом — электроны.
3. Заряд одного электрона равен по величине заряду одного протона, поэтому число электронов должно быть таким же.

Ответ: в атоме 3 электрона. При проверке можно сравнить числа протонов и электронов: они равны, значит, атом нейтрален.

Задача 2. В ядре атома 8 протонов и 8 нейтронов. Сколько частиц каждого вида входит в состав атома, если он нейтрален? Здесь важно отдельно посчитать состав ядра и электронную часть: нейтроны уже указаны, а число электронов следует определить по нейтральности. Не нужно прибавлять нейтроны к числу электронов, поскольку у них нет электрического заряда.

1. В ядре уже есть 8 протонов и 8 нейтронов.
2. Для нейтральности число электронов должно совпадать с числом протонов.
3. Значит, вне ядра находится 8 электронов; общее число протонов и нейтронов в ядре равно 16.

Ответ: 8 протонов, 8 нейтронов и 8 электронов. Всего в составе атома 24 названные частицы, но электронов считают отдельно от частиц ядра.

Задача 3. Атом потерял один электрон. Как изменились его ядро, число электронов и электрический заряд? Потеря электрона касается части атома, расположенной вне ядра. Чтобы определить итоговый заряд, надо сравнить оставшиеся электроны с протонами, число которых не менялось.

1. Потеря электрона не затрагивает ядро, поэтому число протонов и нейтронов остаётся прежним.
2. Число электронов уменьшается на один.
3. Теперь положительных зарядов на один больше, чем отрицательных, поэтому общий заряд становится положительным.

Ответ: ядро не изменилось, электронов стало на один меньше, а атом получил положительный заряд. Если изначально он был нейтральным, величина нового заряда равна заряду одного протона.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электроны находятся внутри ядра. Так можно подумать, если воспринимать атом как одну плотную частицу, но ядро образуют только протоны и нейтроны, а электроны находятся вне него. Проверь себя по таблице: у протона и нейтрона место указано в ядре, у электрона — вне ядра. Разделение частиц по расположению помогает правильно рассуждать о строении атома.

Ошибка: приписывать нейтрону положительный или отрицательный заряд. Его называют вместе с протоном, поскольку обе частицы входят в ядро, но это не означает, что их электрические свойства одинаковы. Заряд нейтрона равен нулю, поэтому в подсчёте общего заряда его не учитывают. Проверка проста: компенсацию заряда ядра обеспечивают электроны, а не нейтроны.

Ошибка: думать, что масса атома распределена равномерно. Иногда рисунок с частицами по всему атому создаёт такое впечатление, но протоны и нейтроны намного массивнее электронов. Почти вся масса приходится на ядро, хотя оно очень мало. Чтобы проверить рассуждение, сравни относительные массы частиц в таблице.

Ошибка: считать схему атома точным изображением размеров и движения частиц. Схематичный рисунок показывает основные части и их расположение, но не является фотографией атома. Его используют как упрощённую модель, а не как точный план траекторий электронов. Проверяй себя вопросом: сообщает ли схема точные размеры и движение или только помогает представить устройство?

Связь с другими темами

Для понимания строения атома нужны знания о частицах вещества и о положительных и отрицательных электрических зарядах. Устройство атома помогает объяснить электрические явления: при потере или присоединении электронов появляются заряженные частицы. Позже сведения о ядре, протонах, нейтронах и электронах пригодятся при изучении строения вещества и атомной физики. Так простая модель атома связывает темы о веществах, зарядах и свойствах частиц.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронов.
• В ядре находятся протоны и нейтроны.
• Протон имеет положительный заряд, электрон — отрицательный, нейтрон не имеет заряда.
• В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.
• Модель атома показывает его устройство схематично.