Как заряжены электроны ядро

Ядра и электроны образуют атомы

Притянутый к ядру электрон не становится его частью, а вращается вокруг него по орбите на некотором удалении. Объясняется это тем, что электрон ведет себя скорее как волна, а не как частица. Так, водородное ядро, обладающее единственным положительным зарядом, захватывая подобным образом электрон, образует атом водорода. Внешне этот атом электрически нейтрален, так как отрицательный заряд электрона нейтрализует положительный заряд ядра. Ядро гелия, имеющее двойной заряд, должно притянуть два электрона для создания нейтрального атома, для ядра железа, имеющего атомный заряд 26, требуется 26 электронов, и, наконец, ядро урана (атомный заряд 92) обычно окружает себя 92 электорнами.

В принципе, атомное ядро может быть образовано из антипротонов и антинейтронов. Такое отрицательно заряженное ядро может быть окружено позитронами, а такой «антиатом» будет обладать точно такими же свойствами, что и обычная материя. Входя в контакт друг с другом, материя и антиматерия взаимно уничтожаются, высвобождая при этом огромное количеству энергии. Согласно некоторым теориям часть Вселенной состоит из антиматерии.

Теория, выдвинутая Нильсом Бором в 1913 году, включала в себя первое представление о строении атома. Согласно этой теории электроны движутся по круговым или эллиптическим орбитам вокруг ядра, некоторым образом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Однако существует большое различие между движением планет и движением электронов. Планета может двигаться на любом расстоянии от Солнца. Так, если бы скорость вращения Земли вокруг Солнца уменьшилась, Земля продвинулась бы на определенное расстояние по направлению к Солнцу и стала бы вращаться по новой орбите, удаленной от Солнца на расстояние, зависящее целиком от степени замедления. Замедляя или ускоряя движение Земли вокруг Солнца, можно заставить ее двигаться по любому эллипсу (соблюдая лишь единственное условие: фокус такой эллиптической орбиты должен приходиться на Солнце). Электроны же в атоме лишены столь неограниченной свободы выбора своей орбиты по причине того, что они ведут себя как волны, а последние должны укладываться в определенные волновые спектры.

Как уже упоминалось выше, свечение неоновой трубки обусловливается прохождением электрического тока через инертный газ неон, содержащийся в трубке. Ядро неона имеет атомный заряд 10 и, следовательно, обычно окружено десятью электронами. Если электрический ток проходит через газ, то это означает, что электроны принуждены двигаться через него и сталкиваются с атомами газа. При достаточно энергичном столкновении атом неона в результате может лишиться одного электрона и превратиться в положительно заряженный ион. Таким образом, ион неона состоял бы из атома неона и девяти электронов. Освободившийся электрон помогает проводить электрический ток через газ, но в конце концов его может захватить другой ион неона. Почему же ионы заряжены положительно? Да потому, что девять заключенных в них электронов не в состоянии нейтрализовать десять положительных единиц заряда ядра, вот почему электрическое поле иона притягивает соседние электроны.

К такой ионизации атома приводят лишь достаточно энергичные столкновения. Чаще всего в результате столкновения один из электронов, входящих в состав атома неона, отбрасывается со своей нормальной орбиты на новую орбиту, более удаленную от ядра. Такое явление называется возбуждением атома. Атом продолжает оставаться электрически нейтральным и имеет, в случае неона, 10 электронов; хотя один из них стал обладателем необычно большого запаса энергии в связи с увеличением его расстояния от ядра. Но уже через очень короткий промежуток времени этот электрон возвращается на свою нормальную орбиту, выделяя при этом излишнюю энергию в виде фотона. Фотон образуется всякий раз, когда электрон «перепрыгивает» с одной орбиты на другую. Свет, посылаемый газом при прохождении через него электрического тока, состоит из фотонов, выделяемых возбужденными атомами при возвращении их в нормальное состояние. Энергия фотонов, а стало быть, и энергия излучаемого света определяется разницей между энергетическими уровнями двух орбит. Если эта разница очень мала, мы имеем красный свет, характеризуемый длинными волнами, несколько большая разница дает желтый и зеленый свет более короткой волны, а еще большая разница — синий или фиолетовый свет еще более короткой волны. Посредством точного измерения длины волны излучаемого света мы можем собрать очень ценную информацию о различных энергетических состояниях, в которых может находиться атом. Ясный красный свет неоновой лампы помогает нам сделать правильный выбор при покупке зубной пасты, физику же он повествует об атомной структуре неона.

Различные орбиты, на которые может перейти электрон при возбуждении атома, таким образом, характеризуются различными энергетическими состояниями. Свет, излучаемый при каждом переходе с одной орбиты на другую, называется спектральной линией; каждая такая линия имеет специфический цвет. Сложные по строению атомы могут излучать тысячи, а иногда и десятки тысяч различных спектральных линий и, естественно, как и все сложное, трудно поддаются анализу. Чтобы понять устройство атома, необходимо начать с анализа простейшего атома, а именно с атома водорода, вокруг ядра которого вращается всего лишь один электрон. Обычно этот электрон вращается по круговой орбите в непосредственной близости от ядра — диаметр орбиты составляет одну десятимиллионную миллиметра. Анализируя спектр, излучаемый газом водорода при пропускании через него электрического тока, мы можем рассчитать орбиты, по которым движется электрон при возбужденном состоянии атома. В результате такого анализа удалось установить, что расстояние от орбиты до ядра может быть в 4, 9, 16 или 25 раз больше нормального расстояния между ядром и орбитой; но оно не может превышать это расстояние в 5, 8 или 13 раз.

Поначалу трудно было понять, почему электрон может вращаться лишь по определенным орбитам, а не вообще на любом расстоянии от ядра — наподобие планеты, вращающейся вокруг Солнца. Разгадать эту загадку удалось с открытием волновой природы электрона. Рассматривая элементарные частицы, мы уже отмечали, что электрон иногда напоминает частицу, но наряду с этим он обладает и другими свойствами, которые заставляют его вести себя подобно волне. Оперируя исключительно малыми размерами, подобно размерам атомов, мы убеждаемся, что волновые свойства столь же ярко выражены, как и корпускулярные, а потому и не совсем точным будет утверждение, что электрон движется по определенной орбите. Электрон, движущийся вокруг атомного ядра, скорее можно представить себе как электрический заряд, который пульсирует, колеблется, вращаясь вокруг ядра. Вот почему задача по расчету движения электрона в атоме не чужда акустическим проблемам: как колеблется струна, или, какие звуки, тона можно извлечь из свистка.

Открытие волновой природы электрона послужило толчком к усовершенствованию классической механики Ньютона, в результате чего возникла квантовая механика, или волновая механика. Квантовая механика сосредоточивает свое внимание на волновой природе электрона, в то время как классическая механика рассматривает электрон как частицу. При рассмотрении крупных тел, таких, как планеты или даже метеоры или снаряды, можно ограничиться их корпускулярной природой, поскольку, если тела достаточно крупны, их волновая природа совершенно незаметна. Но если мы изучаем мельчайшие частицы, наподобие электрона, и имеем дело с размерами порядка размеров атома, волновая природа проявляется настолько сильно, что мы должны пользоваться квантовой механикой.

С развитием этой новой отрасли науки стало возможным полное описание свойств атома водорода. Но, к сожалению, модель атома, предложенная квантовой механикой, настолько абстрактна, что просто невозможно получить его графическую картину, поскольку малозаметные и необычные явления, происходящие внутри атома, не могут быть описаны посредством аналогов из повседневной жизни. Если мы намерены сделать попытку дать наглядное изображение атома, то мы должны быть готовы столкнуться с Тем фактом, что по меньшей мере в некотором отношении эта картина будет очень обманчивой. Желая подчеркнуть корпускулярную природу электрона, мы придем к атомной модели Бора, в которой электроны рассматриваются как частицы, движущиеся по некоторым определенным орбитам и могущие перепрыгивать с одной орбиты на другую, испуская при этом один фотон. С другой стороны, мы можем выделить волновую природу электрона и рассматривать различные состояния атома как основной тон и обертоны колебаний электрона.

Дополнительные материалы по теме

Протоны и нейтроны образуют атомные ядра
Атомы электричества, атомы света, атомы энергии
Электронная одежда атомов
Атомы строят молекулы и кристаллы
Парадокс Маха
Атомы измерены и взвешены
Общее строение ядра клетки
Роль ядра и цитоплазмы в наследственности
Хроматин ядра клетки
Первые описания ядра и деления клетки

Химия. 10 класс

§ 1. Строение атома. Состояние электрона в атоме. Атомная орбиталь

Строение атома. Состояние электрона в атоме. Атомная орбиталь

Из курса химии 7–9-го классов вы уже знаете, что вещества состоят из атомов. Например, молекулы воды состоят из атомов кислорода и водорода (рис. 1.1).

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Заряд ядра равен атомному номеру элемента в периодической системе. Вокруг ядра движутся отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов, поэтому атом электронейтрален.

Например, атом водорода состоит из ядра, заряд которого равен 1+, и одного электрона. Заряд ядра атома гелия равен 2+, поэтому в атоме гелия два электрона (рис.1.2).

Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Если атом отдаёт электрон, то образуется положительно заряженный ион – катион. Если атом присоединяет электрон, то образуется отрицательно заряженный ион – анион (рис.1.3).

Глядя на рисунки 1.2 и 1.3, можно ошибочно предположить, что электроны вращаются вокруг атомного ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг солнца. В действительности траекторию движения электрона в атоме определить невозможно. Каждый электрон образует вокруг ядра облако отрицательного заряда определённой формы и размера – электронное облако. Например, единственный электрон в атоме водорода образует облако сферической формы (рис. 1.4).

Чтобы лучше представить электронное облако, проведём мысленный эксперимент. Допустим, у нас есть возможность фотографировать атом водорода в различные моменты времени, тогда на фотографиях мы будем видеть электрон в различных положениях относительно ядра (рис. 1.5).

Если сделать много таких снимков и наложить фотографии друг на друга, по густоте точек мы увидим, насколько часто электрон оказывается в данной области пространства.

Из рисунка 1.5 видно, что электрон в атоме водорода чаще всего находится в непосредственной близости от ядра, по мере удаления от ядра вероятность обнаружить электрон резко снижается.

У электрона есть ещё одна особенность. В атоме водорода электрон может иметь не любые, а только определённые значения энергии. Эти значения энергии электрона в атоме водорода называются энергетическими уровнями. Энергетические уровни обозначаются номерами.

На рисунке 1.6 показаны энергетические уровни атома водорода.

Электрону наиболее выгодно занимать первый уровень с наименьшей энергией, при этом он находится ближе к ядру.

Электрон может переходить с одного энергетического уровня на другой. При переходе с первого уровня на второй он поглощает порцию энергии, равную Е₂ – Е₁, при обратном переходе он излучает такую же порцию энергии.

Теперь мы можем уточнить понятие орбиталь, которое было введено в курсе химии 8-го класса. Мы уже знаем, что электрон в атоме может находиться только в определённых состояниях. Каждому состоянию соответствует определённое значение энергии и определённая форма электронного облака. Электронное состояние называется орбиталью.

Атомная орбиталь – состояние электрона в атоме, характеризующееся определёнными значением энергии, формой и пространственной ориентацией электронного облака.

Электронное облако не имеет чётких границ, поэтому при изображении формы орбитали приводят не всё электронное облако, а лишь ту область пространства, внутри которой вероятность обнаружить электрон достаточно большая.

Орбитали могут иметь различную форму. Орбитали сферической формы называются s-орбиталями:

Орбитали в форме объёмной восьмерки называются р-орбиталями:

В атомах имеются также d- и f-орбитали ещё более сложной формы, с ними можно ознакомиться, перейдя по ссылке в QR-коде.

Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Каждый электрон в атоме находится в состоянии с определённой энергией (занимает определённую атомную орбиталь).

Орбиталь характеризуется энергией и формой электронного облака.

Строение атома и электронные конфигурации 1.0

Атом можно представить как конструктор «Лего», который можно собрать из более простых “элементарных” частиц. У каждого атома число “деталек” может быть различным. Об этом и о других особенностях строения атома поговорим в статье.

Строение атома

Великие ученые и философы древности упорно бились над вопросом, из чего же состоят вещества, которые их окружают. Впервые идею о том, что все тела живой и неживой природы состоят из мельчайших частиц — атомов — высказал древнегреческий ученый Демокрит целых 2500 лет назад!

Что же из себя представляет атом?

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Атомы могут соединяться друг с другом с помощью химических связей в различной последовательности, образуя более сложные частицы — молекулы. Можно провести аналогию:

атом — отдельный человек,
молекулы — группы людей, объединенные общим признаком (семья, одноклассники, коллеги, любители кошек, любители собак).

Молекула — это мельчайшие частицы, которые состоят из атомов. Они являются химически делимыми.

Долгое время считалось, что атом нельзя разделить далее на составляющие. Но с развитием науки учёные-физики выяснили, что атом состоит из более мелких, или элементарных частиц — протонов (p), нейтронов (n) и электронов (ē).

В центре атома располагается ядро, которое состоит из протонов и нейтронов (их общее название нуклоны), а вокруг ядра вращаются электроны.

Чем атом похож на Солнечную систему?
Можно представить атом как Солнечную систему, где вокруг ядра (Солнца) по орбитам вращаются электроны (планеты). Это так называемая планетарная модель атома. В реальности атом намного сложнее, но для запоминания нам удобнее пользоваться этими представлениями.

Тогда более точно определение атома будет звучать так:

Атом — электронейтральная химически неделимая частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Каждая из элементарных частиц в атоме имеет свой заряд и массу:

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

(№ элемента = p = Z = ē)

Число нейтронов = массовое число – порядковый номер

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Проскок электрона

Это явление характерно для элементов IB и VIB групп, например, Cr, Cu, Ag.

Например, у меди электронная оболочка должна выглядеть как ..3d 9 4s 2 . Но так как для заполнения d-подуровня не хватает одного электрона, то более выгодной становится ситуация, когда с s-подуровня электрон “перепрыгивает” на внутренний d-подуровень. В результате, конфигурация меди выглядит как 3d 10 4s 11

Итог: иметь конфигурации nd 5 и nd 10 более энергетически выгодно, чем nd 4 и nd 9 . Поэтому у таких элементов, как Cu, Cr, Ag, Au, Nb, Mo, Ru, Pt, Pd происходит проскок (провал) электрона: электрон с верхнего “этажа” как будто проваливается на нижний.

Классификация химических элементов: s-,p-,d-,f-элементы

В зависимости от положения “последнего электрона” бывают s-, p-, d-, f-элементы:

s-элементы: IA и IIA группы;
p-элементы: IIIA-VIIIA группы;
d-элементы: элементы побочных подгрупп;
f-элементы: вынесены в отдельную группу лантаноидов и актиноидов.

У s- и p-элементов валентные электроны находятся на внешнем уровне.

У d-элементов — на внешнем s- и на предвнешнем d-подуровнях.

Далее приведены электронные формулы атомов элементов первых четырех периодов. Благодаря этой шпаргалке всегда можно сверить свой вариант электронной конфигурации и проверить себя.

Продолжение темы читайте в статье «Строение атома и электронные конфигурации 2.0».

Фактчек

Атом — электронейтральная частица, состоящая из ядра и вращающихся вокруг него электронов.
Электроны располагаются на электронных подуровнях, причем их число определяется порядковым номером элемента.
Существует группа атомов одного и того же химического элемента, у которых имеется разное число нейтронов. Такие элементы называют изотопами.
Электроны располагаются по ячейкам так, чтобы энергия системы была минимальна.
Иногда для достижения минимума энергии некоторые правила нарушаются — таковым является проскок электрона.

Проверь себя

Задание 1.

Ядро атома состоит из:

Протонов и нейтронов
Протонов и электронов
Нейтронов и электронов
Протонов, нейтронов и электронов

Задание 2.

У изотопов различается число:

Протонов
Нейтронов
Электронов
Нейтронов и электронов

Задание 3.

Проскок электрона характерен для элемента:

Задание 4.

На третьем электронном слое может находиться максимально:

8 электронов
18 электронов
2 электрона
32 электрона

Ответы: 1. — 1; 2. — 2; 3. — 4; 4. — 2.

§ 9. Атом: ядро плюс электроны

Вам уже известно, что все вещества состоят из атомов, молекул или ионов. В свою очередь, молекулы и ионы образованы из атомов.

Долгое время считалось, что атом невозможно разделить на более мелкие частицы. До начала XX в. была известна только одна количественная характеристика атомов — относительная атомная масса, которая была взята за основу классификации химических элементов. Но, используя только массу атомов, нельзя было объяснить причины периодичности изменения их свойств. Было непонятно, почему атомы с близкими массами, например Алюминий и Силиций, существенно отличаются по свойствам, тогда как атомы с разными массами обладают сходными свойствами. Таким образом, для характеристики атомов знания одной лишь их массы недостаточно. Все это наводило ученых на мысль о том, что атом имеет сложное строение. В начале XX в. было выдвинуто множество гипотез и моделей строения атома, некоторые из которых представлены на рисунке 9.1.

Рис. 9.1. а — «кексовая» модель атома Уильяма Томсона (1902), который представлял атом сгустком положительно заряженной материи, где равномерно распределены электроны, как изюм в кексе; б — «кексовая» модель, усовершенствованная Джозефом Джоном Томпсоном (1904), в которой электроны расположены в одной плоскости и образуют концентрические кольца; в — модель атома Хантаро Нагаока (1904), предположившего, что атом похож на планету Сатурн — половину объема занимает положительно заряженный шар, вокруг которого спутники-электроны образуют кольцо

Наибольших успехов в исследовании атома достиг английский ученый Эрнест Резерфорд. В 1909 г. он провел эксперимент, в котором бомбардировал золотую фольгу положительно заряженными альфа-частицами. Большинство из них, проходя сквозь фольгу, не отклонялись от начального направления, некоторые незначительно отклонялись, а небольшое число альфа-частиц существенно отклонялись от первоначальной траектории и иногда даже летели в обратном направлении. Резерфорд писал, что это было так удивительно, как будто вы выстреливаете из пушки в лист бумаги, а пушечное ядро отталкивается от него и летит назад вам в лоб.

Эрнест Резерфорд (1871-1937)

Английский физик, лауреат Нобелевской премии по химии 1908 г. Является основателем нового направления науки — ядерной физики. Он создал учение о радиоактивности и строении атома. Предложил новую, революционную для того времени теорию строения атома, которая сегодня является общепризнанной. Этим он опроверг мнение о неделимости атома и ошеломил весь мир идеей, что все тела (даже самые твердые) преимущественно являются пустым пространством, в котором движутся крохотные частицы. Осуществил первую искусственную ядерную реакцию и продемонстрировал возможности использования ядерной энергии. Предсказал существование нейтрона.

Результаты этого эксперимента противоречили популярным в то время моделям атомов. Если бы «кексовая» модель атома соответствовала действительности, то альфа-частицы должны были бы свободно проходить сквозь атомы золотой фольги (рис. 9.2). Поскольку альфа-частицы заряжены положительно, то для того чтобы отражаться от фольги, они должны сталкиваться с другими положительно заряженными частицами в составе атомов, образующих золотую фольгу. Основываясь на результатах своего эксперимента, Резерфорд доказал, что положительный заряд в атоме сконцентрирован в центре атома в очень небольшом объеме, который он назвал ядром. В ходе эксперимента чем ближе к ядру пролетали альфа-частицы, тем сильнее искривлялась их траектория, а частицы, попавшие прямо в ядро, отталкивались от него и летели назад (рис. 9.3).

Рис. 9.2. Если бы атомы фольги соответствовали «кексовой» модели, то альфа-частицы свободно проходили бы сквозь пластинку

Рис. 9.3. Изменение траектории альфа-частиц связано с отталкиванием от положительно заряженного ядра

Резерфорд предложил планетарную модель строения атома, которой с небольшими изменениями мы пользуемся и сегодня (рис. 9.4). Согласно этой модели, весь положительный заряд атома сосредоточен в центре — ядре, которое окружено отрицательно заряженными электронами. Электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам, как планеты вокруг Солнца.

Рис. 9.4. Планетарная модель строения атома, предложенная Резерфордом

Атом — это электронейтральная химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Модель атома Резерфорда, без сомнения, лучше всех остальных отображала истинное строение атома, но и она имела существенное противоречие: по известным тогда законам физики электрон, если он вращается вокруг ядра, должен непрерывно излучать энергию и со временем упасть на ядро. Модель атома Резерфорда усовершенствовал датский физик Нильс Бор. Он утверждал, что электроны могут вращаться не на любой орбите, а только на определенных расстояниях от ядра, образуя концентрические сферы из электронов. Поэтому иногда планетарную модель атома называют моделью Бора-Резерфорда.

Состав атомов

Итак, атомы состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Заряд электрона называют элементарным, так как он наименьший из всех известных зарядов и потому его абсолютную величину принимают за условную единицу измерения. Именно в этих условных единицах обычно указывают заряды всех частиц: электронов, протонов, ядер, ионов и т. д. Заряд самого электрона принимают за -1.

Электрон — самая легкая из известных элементарных частиц. Его масса составляет 9,1 • 10 -28 г, это в 1837 раз меньше массы самого легкого из атомов — атома Гидрогена. Часто в расчетах массой электрона пренебрегают (считают равной нулю).

Таблица 5. Частицы, из которых состоит атом

После открытия сложного строения атома выяснили, что ядро атома также имеет сложное строение. Оно состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов (рис. 9.5). Протоны и нейтроны называют нуклонами. Протоны являются положительно заряженными частицами с зарядом +1, а нейтроны не имеют заряда (табл. 5). Это означает, что весь положительный заряд ядра образован только протонами — их число равно заряду ядра:

Любой атом является электронейтральным, следовательно, число протонов с зарядом +1 всегда равно числу электронов с зарядом -1:

Ядро — самая тяжелая часть атома: его масса составляет около 99,97 % от массы атома и определяется числом протонов и нейтронов в ядре. Массы протона и нейтрона почти одинаковы и приблизительно равны 1 а. е. м. Таким образом,

Пример. Ядро атома содержит 5 протонов и 5 нейтронов.

1. Определим заряд ядра и число электронов в атоме:

Число протонов в ядре = 5 —> Заряд ядра = +5 —> Число электронов = 5

2. Определим атомную массу:

И хотя именно в ядре сосредоточена вся масса атома, тем не менее размеры ядра чрезвычайно малы: его радиус приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса атома (рис. 9.5). Представьте, если размер ядра увеличить до размера яблока, то сам атом будет размером с земной шар.

Рис. 9.5. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны, образуя электронную оболочку атома

Порядковый номер химического элемента

У всех атомов одного химического элемента число протонов всегда одинаковое (и равно заряду ядра), а число нейтронов может быть разным, поэтому масса атомов одного элемента также может отличаться. Это означает, что не масса, а именно заряд ядра является основной характеристикой, отличающей атомы одного вида от атомов другого вида. Именно поэтому в начале XX в. изменилось определение понятия химического элемента:

Химический элемент — это разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра.

После открытия сложного строения атома была изменена и формулировка Периодического закона:

Свойства химических элементов, а также образованных ими веществ находятся в периодической зависимости от зарядов их атомных ядер.

Дальнейшее изучение строения атома показало, что протонов в атомах содержится не произвольное число, а равное порядковому номеру химического элемента в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева. Следовательно, и заряд ядра также равен порядковому номеру:

Оказалось, что, даже не догадываясь о сложном строении атомов, Менделеев при составлении своей Периодической системы расположил элементы в порядке возрастания зарядов их атомных ядер.

• Физики уверены, что протоны, нейтроны и другие частицы состоят из кварков — подлинно элементарных частиц. Однако ученым никак не удается выделить кварки и таким образом подтвердить их существование. Но электрон до сих пор считается элементарной частицей.

• Эрнест Резерфорд проводил исследования в основном в области физики и однажды заявил, что все науки можно разделить на две группы — на физику и коллекционирование марок. Однако Нобелевскую премию Резерфорд получил именно по химии. Позднее он отметил, что из всех превращений, которые ему удалось наблюдать, самым быстрым оказалось его собственное превращение из физика в химика.

Выводы

1. Общепринятой является планетарная модель строения атомов, согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого на определенном расстоянии вращаются отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку атома.

2. Ядро атома состоит из нуклонов: положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Число протонов в ядре определенного атома равно порядковому номеру химического элемента в Периодической системе. Поскольку атом электронейтрален, то число протонов в ядре атома равно числу электронов в его электронной оболочке.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте планетарную модель атома Резерфорда.

2. Какие частицы входят в состав: а) атома; б) атомного ядра? Каковы их заряд и масса?

3. Ядро атома: а) имеет отрицательный заряд; б) имеет положительный заряд; в) не имеет заряда.

4. Какие характеристики атома вам известны?

5. Как определить число протонов в ядре атома: а) по порядковому номеру элемента в Периодической системе; б) по номеру периода; в) по номеру группы?

6. Дайте определение понятиям «атом» и «химический элемент».

7. Приведите современную формулировку Периодического закона. Чем она отличается от той, которую вы изучали ранее?

Задания для усвоения материала

1. Ядро атома Гелия имеет заряд +2. Сколько электронов в атоме Гелия?

2. Атом Карбона содержит 6 электронов. Чему равен заряд; а) атома Карбона; б) ядра атома Карбона?

3. Определите число протонов в ядрах и заряды атомов; а) Лития; б) Сульфура; в) Феррума; г) Плюмбума.

4. Определите заряд ядра, число электронов и массу атома, если ядро содержит: а) 8 протонов и 9 нейтронов; б) 25 протонов и 30 нейтронов; в) 89 протонов и 117 нейтронов. Назовите соответствующие химические элементы.

5*. Опишите суть эксперимента Резерфорда по установлению строения атома. Какие результаты опыта позволили ему сделать выводы о планетарном строении атома?