§ 52. Строение атома

Определения и обозначения

Атом — электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Электронейтральность означает, что общий заряд атома равен нулю. Это понятие помогает рассматривать атом как целое, в котором частицы с разными зарядами уравновешивают друг друга.

Протон — частица с положительным электрическим зарядом, находящаяся в ядре атома. Число протонов позволяет определить заряд ядра и отличает один химический элемент от другого. Поэтому, описывая состав атома, сначала обращают внимание на протоны.

Нейтрон — частица без электрического заряда, находящаяся в атомном ядре вместе с протонами. Нейтроны входят в состав ядра, хотя сами не увеличивают его электрический заряд. Их наличие нужно учитывать, когда оценивают массу атома.

Электрон — частица с отрицательным электрическим зарядом, расположенная в электронной оболочке вокруг ядра. В нейтральном атоме электроны компенсируют положительные заряды протонов. Это обозначение и представление о месте электрона помогают объяснить электрическую нейтральность атома.

Как это устроено

Сложное строение атома удалось обнаружить благодаря опытам по рассеянию частиц: исследователи направляли их на тонкий материал и наблюдали, как меняется направление движения. Если бы положительный заряд был равномерно распределён по всему атому, частицы отклонялись бы лишь слабо. Однако некоторые из них заметно меняли направление, а редкие даже отражались обратно. Это можно объяснить, если почти весь положительный заряд и основная масса собраны в очень маленькой области.

Эта область получила название атомное ядро. В модели Резерфорда вокруг ядра расположена электронная оболочка, занимающая почти весь объём атома. Большинство частиц проходило через материал почти прямо, потому что ядро мало и вероятность столкнуться с ним невелика. Так возник вывод, что внутри атома преобладает пространство, а не плотное вещество.

Ядро образовано протонами и нейтронами: первые несут положительный заряд, вторые электрически нейтральны. Поэтому величина заряда ядра зависит только от количества протонов, а не от числа нейтронов. Например, если в ядре 11 протонов, его заряд равен +11 элементарным зарядам, сколько бы нейтронов ни было рядом. Это различие помогает не путать заряд ядра с его составом в целом.

У нейтрального атома положительный заряд ядра уравновешен отрицательным зарядом электронов. Заряды протона и электрона равны по величине и противоположны по знаку, поэтому для компенсации каждому протону нужен один электрон. Отсюда следует, что число электронов в нейтральном атоме равно числу протонов. Если этих частиц стало разное количество, атом уже не нейтрален.

Масса электронов очень мала по сравнению с массой протонов и нейтронов. Поэтому при оценке массы атома обычно учитывают прежде всего частицы ядра, а вклад электронной оболочки считают пренебрежимо малым. Поскольку почти все протоны и нейтроны находятся в ядре, почти вся масса атома сосредоточена именно там. Это не означает, что ядро занимает почти весь объём: размер и масса распределены в атоме очень неравномерно.

Частицы, образующие атом

Сравнивай частицы по столбцам: так проще отдельно увидеть их заряд, место в атоме и вклад в массу. Относительные массы показывают, что протон и нейтрон примерно равны по массе, а электрон намного легче. Знаки +1, 0 и −1 обозначают заряд частицы в единицах элементарного заряда.

Разбор задач

Задача 1. В атоме 11 протонов и 12 нейтронов. Определите заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме. Сначала выясним, какие данные отвечают за заряд ядра, а какие — за электронейтральность. Число нейтронов для этих двух выводов не требуется.

1. Заряд ядра задаётся количеством протонов, поэтому при 11 протонах он равен +11 элементарным зарядам.
2. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, следовательно, электронов тоже 11.

Ответ: заряд ядра +11, в нейтральном атоме 11 электронов.

Задача 2. Атом содержит 17 электронов и не имеет электрического заряда. Сколько в нём протонов и каков заряд ядра? Условие о нейтральности означает, что положительный заряд должен полностью компенсировать отрицательный. Поэтому число протонов можно найти по числу электронов, а затем записать заряд ядра.

1. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов: 17.
2. Каждый протон вносит в заряд ядра +1, значит, заряд ядра равен +17 элементарным зарядам.

Ответ: 17 протонов; заряд ядра +17.

Задача 3. Масса атома приблизительно равна 23 относительным единицам, а в ядре 11 протонов. Оцените число нейтронов и объясните, почему массой электронов можно пренебречь. Массу атома приближённо считаем суммой масс протонов и нейтронов. Так как массы этих частиц примерно равны одной относительной единице, оценку можно использовать как общее число частиц в ядре.

1. Из массовой оценки вычитаем число протонов: 23 − 11 = 12.
2. Получаем приблизительное число нейтронов — 12. Масса электронов намного меньше массы протонов и нейтронов, поэтому почти не меняет эту оценку.

Ответ: примерно 12 нейтронов; вклад электронов в массу атома очень мал.

Типичные ошибки

• Ошибка — думать, что ядро занимает почти весь объём атома. Её допускают, потому что именно в ядре сосредоточены почти вся масса и положительный заряд. Проверь себя: разделяй понятия «объём» и «масса» — маленькое ядро содержит основную массу, но не занимает основную часть объёма.

• Ошибка — приписывать электрону положительный заряд или помещать его в ядро. Так бывает, если смешать сведения о частицах ядра и всей атомной структуре. Проверь себя по таблице: электрон имеет заряд −1 и находится в электронной оболочке.

• Ошибка — считать заряд ядра зарядом всего атома. Ядро положительно, но у нейтрального атома есть электроны с противоположным зарядом. Для проверки сравни число протонов и электронов: если они равны, общий заряд атома равен нулю.

• Ошибка — считать, что массу атома в основном создают электроны. Их легко переоценить, потому что они входят в состав каждого нейтрального атома. Сверь относительные массы частиц: масса каждого электрона гораздо меньше массы протона или нейтрона.

Связь с другими темами

Чтобы понять строение атома, нужно знать, что вещества состоят из атомов и молекул, а электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Представление о составе атома уточняет, что именно находится внутри атомов, из которых состоят вещества. Знание знаков зарядов помогает объяснить, почему частицы могут компенсировать заряд друг друга.

Строение атома понадобится при изучении химических элементов и периодической системы: число протонов связано с тем, какой это элемент. Оно также помогает понять образование ионов — частиц, у которых число электронов отличается от числа протонов. Значит, знание состава атома служит основой для дальнейшего изучения химических превращений.

Что запомнить

• Атом состоит из ядра и электронной оболочки.
• Ядро образовано протонами и нейтронами.
• Протон имеет положительный заряд, нейтрон не имеет заряда.
• Электрон имеет отрицательный заряд.
• В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов.
• Почти вся масса атома сосредоточена в ядре.