Атом - крошечная частица, которая составляет основу всего вокруг нас. Давайте разберемся, как устроен этот кирпичик материи, из которого построено все во Вселенной.
История открытия и изучения атома
Представление об атоме как о неделимой частице впервые появилось в Древней Греции. Философ Демокрит выдвинул идею, что весь мир состоит из крошечных неделимых частиц - атомов. Однако экспериментально подтвердить существование атомов удалось только в XIX веке в работах Ломоносова, Лавуазье и других ученых.
В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон и создал первую модель строения атома - так называемый "пудинг с изюмом". Согласно этой модели, атом состоит из положительно заряженного вещества, в котором равномерно распределены отрицательно заряженные электроны.
Атом состоит из ядра и электронов (точнее, электронного "облака"). Ядро атома состоит из протонов и нейтронов.
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно Резерфорду, атом имеет маленькое плотное положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам движутся электроны, как планеты.
Современная модель строения атома
Современная модель атома основана на представлениях Резерфорда, но с уточнениями, которые внесла квантовая физика. Рассмотрим подробнее компоненты атома.
Ядро атома
Ядро атома состоит из двух типов элементарных частиц:
- Положительно заряженные протоны - их количество в ядре определяет порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева.
- Нейтральные нейтроны - их количество различается у разных изотопов элемента.
Например, у самого распространенного изотопа углерода в ядре 6 протонов и 6 нейтронов. А у радиоактивного изотопа углерода-14 соответственно 6 протонов и 8 нейтронов.
Электронная оболочка
Вокруг ядра движутся электроны. Их количество соответствует количеству протонов в ядре. У нейтрального атома положительный заряд ядра уравновешивается отрицательными зарядами электронов.
Однако нельзя представлять орбиты электронов так же, как планеты. Согласно квантовой физике, местоположение электрона в атоме может быть определено лишь с некоторой долей вероятности. Поэтому принято говорить об "электронном облаке" вокруг ядра.
Энергетические уровни
В атоме электроны могут находиться не на любом расстоянии от ядра, а лишь на определенных энергетических уровнях или электронных орбиталях. Каждому уровню соответствует строго определенная энергия электрона.
Размер и масса атомов
Несмотря на микроскопические размеры, атомы разных элементов существенно отличаются по размерам.
- Методы определения размеров атомов
Для измерения размеров атомов используются разные подходы, поскольку атом не имеет четких границ:
- Измеряют расстояние между ядрами связанных атомов - ковалентный радиус
- Определяют радиус последней электронной орбитали - радиус атома
Также на размер атома влияет его координационное число - количество связей с другими атомами.
Самые маленькие и большие атомы
Самый маленький атом - атом гелия, его радиус всего 32 пм. А самый большой - атом цезия, размером 225 пм. Это в 7 раз меньше размера клетки крови человека и в тысячи раз меньше длины волны света.
Масса атома и атомная единица массы
Масса атома измеряется в дальтонах - это 1/12 массы углерода-12. Например, водород-1 имеет массу 1,0078 дальтона, а железо-56 - 55,934 дальтона.
Интересные сравнения размеров атомов
Чтобы лучше представить себе микроскопические масштабы атомов, приведем несколько сравнений:
- Толщина человеческого волоса примерно в миллион раз больше размера атома углерода
- В одной капле воды содержится около 2 секстиллионов атомов
- Алмаз массой 0,2 грамма состоит из 10 секстиллионов атомов углерода
- Если увеличить яблоко до размеров Земли, то атомы яблока станут размером с настоящее яблоко
Изображение отдельных атомов
Несмотря на крошечные размеры, ученым удается получать изображения отдельных атомов при помощи специальных микроскопов высокого разрешения:
- Сканирующий туннельный микроскоп позволяет снимать поверхность материалов с атомным разрешением
- Атомно-силовой микроскоп регистрирует силы взаимодействия между атомами поверхности и зондом
Также разработаны методы фемтосекундной спектроскопии, которые дают информацию о строении и динамике отдельных атомов и молекул.
Химические свойства атомов
Химические свойства атомов определяются строением их электронных оболочек и в значительной степени объясняются периодическим законом.
Электроотрицательность
Это свойство атома притягивать общие электронные пары к себе. Оно возрастает слева направо в периодах и снизу вверх в группах периодической системы.
Энергия ионизации
Это минимальная энергия, необходимая для отрыва электрона от атома. Энергия ионизации резко возрастает для атомов инертных газов в периодической системе.
Магнитные свойства атомов
Магнитные свойства атомов определяются в основном магнитными моментами электронов и ядер.
У атомов с четным числом электронов их магнитные моменты взаимно компенсируются, поэтому полный магнитный момент равен нулю.
Атомы железа и других ферромагнитных элементов имеют неспаренные электроны, благодаря чему их магнитные моменты складываются, создавая значительное магнитное поле.
Спектры испускания и поглощения
Атомы испускают или поглощают свет строго определенных частот при переходах электронов между энергетическими уровнями. Эти спектры уникальны для каждого элемента.
Роль атомов в образовании химических связей
Химические связи образуются за счет взаимодействия валентных электронов атомов. Различают несколько типов связей.
Типы химических связей
- Ионная связь - переход электрона с одного атома на другой
- Ковалентная связь - образование общих электронных пар
- Металлическая связь - общее "электронное облако" свободных электронов
