"Химия (изд. Астрель)", Оржековский П.А., Мещерякова Л.М. и др.
Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и электронов. Представления о его строении изменились после открытия электрона и опыта Резерфорда с альфа-частицами. Оказалось, что атом почти пуст, а почти вся его масса и положительный заряд сосредоточены в очень малом ядре. Эти выводы привели к планетарной модели атома.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и электронов. Электронейтральность означает, что общий положительный и общий отрицательный заряды компенсируют друг друга. Это определение помогает отличать атом от заряженных частиц и понимать его состав.
Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав атома. Электроны находятся вокруг ядра и участвуют во взаимодействиях атомов. Поэтому без электронов нельзя объяснить ни нейтральность атома, ни образование химических связей.
Ядро атома — его центральная часть, имеющая положительный заряд и содержащая почти всю массу атома. Ядро намного меньше всего атома, но именно в нём сосредоточена основная масса вещества. Это позволяет объяснить сильное отклонение некоторых частиц при столкновении с атомом.
Планетарная модель атома — представление, согласно которому электроны движутся вокруг положительно заряженного ядра. Такое сравнение напоминает движение планет вокруг Солнца, хотя атомная система устроена не буквально так же. Модель подчёркивает разделение атома на маленькое ядро и окружающее его пространство.
Открытие электрона показало, что атом содержит отрицательно заряженную частицу. Следовательно, атом нельзя считать неделимым: внутри него должны находиться части с разными свойствами. Возник главный вопрос: где расположен положительный заряд, компенсирующий заряд электронов, и как эти части распределены в атоме?
Томсон предложил представить атом как положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны. Положительный заряд считал распределённым по всему объёму, поэтому отдельная область атома не должна была сильно воздействовать на пролетающую частицу. Атом оставался нейтральным, потому что суммарный положительный заряд шара по величине равнялся суммарному отрицательному заряду электронов.
Чтобы проверить строение атома, Резерфорд направлял поток альфа-частиц на очень тонкую металлическую фольгу. Альфа-частицы имеют положительный заряд, поэтому их движение можно наблюдать по отклонениям после прохождения через фольгу. Большинство частиц прошло почти прямо, некоторые отклонились на небольшие углы, а редкие частицы изменили направление очень резко.
Эти наблюдения не соответствовали равномерному распределению положительного заряда в модели Томсона. Большое число почти прямых пролётов означало, что атом в основном пуст и не создаёт сильного препятствия. Редкие резкие отклонения объяснялись встречей с очень маленькой, массивной и положительно заряженной областью — ядром, в котором сосредоточены почти вся масса атома и его положительный заряд.
В таблице удобно сравнивать не только сами модели, но и основания для их появления. Особенно важно сопоставить предсказание модели с результатом опыта: подходящей считается та модель, которая объясняет все основные наблюдения.
| Модель или этап | Представление о строении атома | Основание | Что объясняет или чему противоречит |
|---|---|---|---|
| Модель Томсона | Положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны | Открытие электрона и необходимость сохранить нейтральность атома | Объясняет электронейтральность, но не объясняет редкие сильные отклонения альфа-частиц |
| Опыт Резерфорда | Альфа-частицы направляют на тонкую металлическую фольгу и наблюдают их рассеяние | Изучение того, как заряженные частицы проходят через атомы | Большинство частиц проходит прямо, небольшая часть отклоняется |
| Выводы Резерфорда | Атом в основном пуст, а масса и положительный заряд сосредоточены в малом ядре | Соотношение прямых пролётов и сильных отклонений | Объясняют результаты опыта и опровергают равномерное распределение заряда |
| Главное отличие планетарной модели | Электроны движутся вокруг положительно заряженного ядра | Вывод о существовании компактного ядра | Положительный заряд не размазан по атому, а собран в центре |
Условие: объясните, почему открытие электрона показало, что атом не является неделимой частицей. Нужно связать наличие электрона с внутренним строением атома. Одного утверждения о заряде недостаточно: следует сделать вывод о составе частицы.
Ответ: открытие электрона доказало сложное строение атома. В атоме есть части с разными зарядами, поэтому атом не является неделимой частицей.
Условие: большинство альфа-частиц прошло через фольгу почти без отклонения, а небольшая часть резко изменила направление. Нужно объяснить оба наблюдения одним представлением о строении атома. Сопоставим частоту явления с размерами областей атома.
Ответ: атом в основном пуст, а редкие сильные отклонения вызваны столкновениями с малым положительно заряженным ядром. Почти вся масса атома сосредоточена в этом ядре.
Условие: сравните модели Томсона и Резерфорда и определите, какая согласуется с рассеянием альфа-частиц. В первой модели заряд распределён по всему шару, во второй — собран в ядре. Проверим, какая схема объясняет редкие, но очень сильные отклонения.
Ответ: с опытом Резерфорда согласуется ядерная, или планетарная, модель. Она одновременно объясняет и почти прямой проход большинства частиц, и сильные отклонения редких частиц.
Считать атом полностью пустым. Так говорят, потому что большая часть его объёма действительно приходится на пространство между ядром и электронами. Проверка проста: в атоме обязательно есть ядро и электроны, поэтому правильнее говорить «атом в основном пуст».
Утверждать, что все альфа-частицы отклоняются ядром. Ошибка возникает, если забыть о разнице между частыми и редкими результатами опыта. Нужно помнить: большинство частиц прошло почти прямо, а сильные отклонения наблюдались лишь у небольшой части.
Приписывать ядру отрицательный заряд или считать его лёгким. Иногда заряд электрона ошибочно переносят на ядро, а малый размер ядра принимают за малую массу. Проверяйте себя по двум признакам: ядро положительно заряжено и содержит почти всю массу атома.
Смешивать модели Томсона и Резерфорда. Обе модели включают электроны и положительный заряд, поэтому их легко перепутать. Главное различие таково: у Томсона положительный заряд распределён по всему атому, а у Резерфорда сосредоточен в ядре.
Для изучения темы нужны представления об атоме, электрическом заряде и электронейтральности. Без них трудно понять, почему отрицательный электрон требует положительного заряда-компенсатора и как по отклонению частиц судят о строении вещества.
Выводы о ядре и электронах помогают читать периодическую систему и связывать свойства элементов с устройством их атомов. Позднее эти знания понадобятся при изучении химической связи, ионов и закономерностей изменения свойств элементов.
Почему открытие электрона изменило представления о неделимости атома?
Электрон оказался частицей, входящей в состав атома и имеющей отрицательный заряд. Значит, атом состоит из более мелких частей и не является неделимой частицей.
Как была устроена модель атома Томсона?
Томсон представлял атом как положительно заряженный шар, внутри которого находятся электроны. Суммарный положительный и отрицательный заряды равны, поэтому атом в целом электронейтрален.
Что наблюдал Резерфорд в опыте с альфа-частицами и фольгой?
Большинство альфа-частиц прошло через тонкую металлическую фольгу почти прямо. Небольшая часть отклонилась, а отдельные частицы испытали очень сильное отклонение или вернулись назад.
Почему большинство альфа-частиц проходило через фольгу без заметного отклонения?
Основной объём атома занимает пространство между ядром и электронами, поэтому в нём почти нет плотного вещества. Альфа-частицы проходили через это пространство и не испытывали сильного воздействия.
Чем модель Резерфорда отличалась от модели Томсона?
В модели Томсона положительный заряд распределён по всему атому, а в модели Резерфорда он сосредоточен в малом ядре. Электроны в планетарной модели движутся вокруг ядра.
§ 7. Становление представлений о строении атома
