Долгое время для исследователей оставались секретом многие свойства материи. Отчего одни вещества отлично проводят электричество, а другие – нет? Почему железо постепенно разрушается под воздействием атмосферы, а благородные металлы отлично сохраняются на протяжении тысяч лет? Многие из этих вопросов нашли ответ после того, как человеку стало известно устройство атома: его строение, число электронов на каждом электронном слое. Более того, освоение даже самых основ строения атомных ядер открыло миру новую эру.
Из каких элементов построен элементарный кирпичик вещества, как они взаимодействуют между собой, чем из этого мы научись пользоваться?
Строение атома в представлении современной науки
В настоящее время большинство ученых склонны придерживаться планетарной модели строения материи. Согласно этой модели в центре каждого атома находится ядро, крохотное даже по сравнению с атомом (он в десятки тысяч раз мельче целого атома). Зато о массе ядра такого не скажешь. Практически вся масса атома сосредоточена именно в ядре. Ядро заряжено положительно.
Вокруг ядра вращаются электроны по различным орбитам, не круговым, как в случае с планетами Солнечной системы, а объемным (сферы и объемные восьмерки). Число электронов в атоме численно равно заряду ядра. Но рассматривать электрон как частицу, которая движется по какой-то траектории, очень сложно.
Его орбита крохотна, а скорость почти как у светового луча, поэтому правильнее рассматривать электрон вместе с его орбитой как некую отрицательно заряженную сферу.
Члены атомной семьи
Все атомы состоят из 3 составляющих элементов: протонов, электронов и нейтронов.
Протон – главный строительный материал ядра. Его вес равен атомной единице (масса атома водорода) или 1,67 ∙ 10-27 кг в системе СИ. Заряжена частица положительно, причем заряд ее принят за единицу в системе элементарных электрических зарядов.
Нейтрон – близнец протона по массе, но никак не заряжен.
Две вышеперечисленные частицы называют нуклидами.
Электрон – противоположность протону по заряду (элементарный заряд равен −1). Но вот по весу электрон подкачал, масса его всего-то 9,12 ∙ 10-31 кг, что почти в 2 тысячи раз легче протона или нейтрона.
Как это «разглядели»
Как можно было разглядеть строение атома, если даже самые современные технические средства не позволяют и в ближайшей перспективе не позволят получить изображения составляющих его частиц. Как же ученые узнали число протонов, нейтронов и электронов в ядре и их расположение?
Предположение о планетарном устройстве атомов было сделано на основе результатов бомбардировки тонкой металлической фольги различными частицами. На рисунке хорошо видно, как взаимодействуют с веществом различные элементарные частицы.
Число электронов, прошедших сквозь металл, в опытах равнялось нулю. Это объясняется просто: отрицательно заряженные электроны отталкиваются от электронных оболочек металла, также имеющих отрицательный заряд.
Пучок протонов (заряд +) проходил через фольгу, но с «потерями». Часть отталкивалась от попавшихся на пути ядер (вероятность таких попаданий очень незначительна), часть отклонялась от первоначальной траектории, пролетев слишком близко к одному из ядер.
Самыми «результативными» в части преодоления металла стали нейтроны. Нейтрально заряженная частица терялась только в случае прямого столкновения с ядром вещества, 99,99% же нейтронов благополучно проходили сквозь толщу металла. Кстати, размер ядер тех или иных химических элементов удалось рассчитать именно исходя из количества нейтронов на входе и не выходе.
На основе полученных данных и была построена доминирующая в настоящее время теория строения вещества, которая успешно объясняет большинство вопросов.
Чего и сколько
Число электронов в атоме зависит от порядкового номера. Так, в атоме обычного водорода имеется всего один протон. Вокруг же по орбите кружится единственный электрон. Следующий элемент периодической таблицы – гелий устроен чуточку сложнее. Его ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов и имеет, таким образом, атомную массу 4.
С ростом порядкового номера растут размеры и масса атома. Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева соответствует заряду ядра (количеству в нем протонов). Число электронов в атоме равно числу протонов. Так, атом свинца (порядковый номер 82) имеет в своем ядре 82 протона. На орбитах вокруг ядра находятся 82 электрона. Чтобы рассчитать количество нейтронов в ядре, достаточно от атомной массы отнять число протонов:
207 – 82 = 125.
Почему их всегда поровну
Любая система в нашей Вселенной стремится к стабильности. Применительно к атому это выражается в его нейтральности. Если на секунду представить, что все без исключения атомы во Вселенной обладают тем или иным зарядом разной величины с разными знаками, можно себе представить, какой бы в мире наступил хаос.
Но так как число протонов и электронов в атоме равно, итоговый заряд каждого «кирпичика» равен нулю.
Число же нейтронов в атоме - величина самостоятельная. Более того, атомы одного и того же химического элемента могут иметь различное число этих частиц с нулевым зарядом. Пример:
- 1 протон + 1 электрон + 0 нейтронов = водород (атомная масса 1);
- 1 протон + 1 электрон + 1 нейтрон = дейтерий (атомная масса 2);
- 1 протон + 1 электрон + 2 нейтрона = тритий (атомная масса 3).
В данном случае число электронов в атоме не меняется, атом остается нейтральным, изменяется его масса. Такие вариации химических элементов принято называть изотопами.
Всегда ли атом нейтрален
Нет, не всегда число электронов в атоме равно числу протонов. Если бы у атома на время нельзя было «отобрать» электрон или два, не существовало бы такого понятия, как гальваника. На атом, как на любую материю, можно воздействовать.
Под влиянием достаточно сильного электрического поля с наружного слоя атома один или несколько электронов могут «улететь». В этом случае частичка вещества перестает быть нейтральной и называется ионом. Она может передвигаться в среде газа или жидкости, перенося электрический заряд от одного электрода к другому. Таким образом запасают электрический заряд в аккумуляторных батареях, а также наносят тончайшие пленки из одних металлов на поверхности других (золочение, серебрение, хромирование, никелирование и т.д.).
Нестабильно число электронов и в металлах – проводниках электрического тока. Электроны наружных слоев как бы гуляют с атома на атом, перенося по проводнику электрическую энергию.
