Атомы - основные единицы материи. Термин происходит от древнегреческого "неделимый", потому что раньше считалось, что атомы являются наименьшими частицами во вселенной и не могут быть разделены. Но сейчас мы знаем, что атомы состоят из трех частиц - протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более меньших частиц, таких как кварки.
Атомы были сформированы после Большого Взрыва 13,7 миллиардов лет назад. Когда горячая и плотная новорожденная вселенная начала охлаждаться, то условия в ней стали подходящими для образования кварков и электронов. Кварки объединились для образования протонов и нейтронов, и эти частицы объединились в ядро. Согласно данным ЦЕРН, это произошло в течении первых нескольких минут существования Вселенной.
Потребовалось 380 000 лет, чтобы вселенная остыла настолько, чтобы электроны замедлились и ядра смогли захватить их. Так смогли образоваться первые атомы. Самые ранние атомы были в основном водородом и гелием, которые по-прежнему являются самыми распространенными элементами во вселенной. Благодаря гравитации облака газа слились и образовались звезды, а более тяжелые атомы как раз и создаются благодаря звездам и "посылаются" во вселенную после взрыва звезды.
Атомные частицы
Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в самом центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающимся вокруг ядра. Облако электронов имеет радиус в 10 000 раз больше ядра.
Протоны и нейтроны имеют примерно такую же массу. Однако один протон весит больше чем 1800 электронов. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов, как правило, то же самое. Добавление протона к атому создает новый элемент, в то время как добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию данного атома.
Ядро
Ядро атома было обнаружено в 1911 году Эрнестом Резерфордом, который в 1920 году предложил имя "протон" для положительно заряженных частиц атома. Резерфорд также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что подтвердил в 1932 году Джеймс Чадвик, британский физик и ученик Резерфорда.
Практически вся масса атома находится в ядре. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, примерно одинаковой массы (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент.
Ядро удерживается благодаря "сильному взаимодействию" - одной из четырех основных сил в природе. Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает отталкивающую электрическую силу, которая исходя из правил электричества, раздвигала бы протоны. Некоторые атомные ядра неустойчивы, потому что сила связи изменяется для разных атомов в зависимости от размера ядра. Затем атомы с неустойчивыми ядрами распадаются на другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.
Протоны
Протоны - это положительно заряженные частицы, находящиеся внутри атомных ядер. Резерфорд обнаружил их в экспериментах с электронно-лучевыми трубами, проведенными между 1911 и 1919 годами. Протоны немного меньше по массе, чем нейтроны.
Число протонов в атоме определяет то, каким элементом он является. Например, атом углерода имеет шесть протонов, атом водорода - один, кислорода - восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Число протонов в атоме также определяет химическое поведение элемента. В периодической таблице Менделеева элементы упорядочены в порядке возрастания атомного номера.
Три кварка составляют каждый протон - два кварка с положительным зарядом и один с отрицательным. Они удерживаются вместе другими субатомными частицами, которые называются глюонами и являются безмассовыми.
Электроны
Электроны совсем крошечные - в 1800 раз меньше - по сравнению с протонами и нейтронами. Дж. Дж. Томсон, британский физик, обнаружил электрон в 1897 году. Электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам. Электроны окружают атомное ядро, вращаясь по круговым орбиталям. Данная идея была выдвинута в 1920-х годах австрийским физиком Эрвином Шредингером. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака. Внутренние орбитали, окружающие атом, являются округлыми, но внешние орбитали гораздо сложнее.
Электронная конфигурация типичного атома представляет собой орбитальное описание расположения электронов. Используя электронную конфигурацию атома и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, точку кипения и проводимость. Как правило, в химии имеют значение только внешние электронные оболочки.
Нейтроны
Нейтрон используется в качестве сравнения, чтобы найти относительную массу протонов и электронов.
В 1920 году Резерфорд выдвинул теорию о существовании нейтрона. А в 1932 году Джеймс Чедвик уже обнаружил его. Тонкий лист бериллия был подвергнут бомбардировке атомами. Высвобожденные субатомные частицы без заряда оказались нейтронами.
Нейтроны - это незаряженные частицы, обнаруженные во всех атомных ядрах (за исключением водорода-1). Масса нейтрона намного больше массы протона. Подобно протонам, нейтроны также состоят из кварков - одного с положительным зарядом и двух с отрицательным.
Изотопы
Число нейтронов в ядре определяет изотоп этого элемента. Например, водород имеет три изотопа - протий, дейтерий и тритий. Протий, или 1Н, является обычным водородом - он имеет один протон и один электрон и не имеет нейтронов. Дейтерий (D или 2H) имеет один протон, один электрон и один нейтрон. Тритий (3Н или Т) имеет один протон, один электрон и два нейтрона.
История атома
Теория атома исходит от греческого ученого и философа Демокрита и датируется 440 г. до нашей эры. Скорее всего он построил свою теорию атома на работе прошлых философов. Например, Парменид, учитель Демокрита, известен тем, что предложил принцип идентичности. Этот принцип гласит, что все вместе образует бытие. Другие философы, включая Демокрита, продолжили его работу, что привело к созданию теории атома.
Объяснения атома Демокритом начинается с камня. Камень, поделенный пополам, дает две половины одного и того же камня. Если бы камень продолжали делить, то в какой-то момент появился бы кусок камня, настолько маленький, чтобы его нельзя было поделить. По мнению Демокрита, атом должен быть точкой, в которой любая форма материи больше не могла бы быть разделена. Его теория включала идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, способных двигаться и объединятся для создания материи, но не в коем случае не сливаться, создавая новый атом. Также он утверждал, что атом является неделимым. Однако, поскольку большинство философов того времени, особенно влиятельный Аристотель, считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, теория атома Демокрита была надолго отложена в сторону.
Британский химик Джон Дальтон в 1803 году построил свою атомную теорию на идеях Демокрита. Теория Дальтона заключала в себя несколько идей Демокрита - то что атом неделимый и неразрушимый, что разные атомы собираются вместе, чтобы создать материю. Дополнения Дальтона к теории были в идеях, что все атомы определенного элемента идентичны, что атомы одного элемента имеют другой вес и другие свойства, нежели у атомов других элементов. Атомы не могут быть созданы и уничтожены и материя образуется атомами, объединяющимися в простые целые числа.
В 1897 году британский физик Дж.Дж. Томсон открыл электрон. Тем самым он доказал, что на самом деле атомы могут быть разделены. Он смог определить существование отрицательно заряженных частиц, изучив свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках. В статье 1897 года Томсон писал, что лучи были отклонены в трубке, что доказывало то, что в вакуумной трубке есть что-то отрицательно заряженное. В 1899 году он опубликовал описание своей версии атома, широко известной как "пудинговая модель атома". Модель атома Томсона включала в себя большое количество электронов, подвешенных в облаке положительного заряда, что обеспечивало электронейтральность атома. Электроны в этой модели располагались так, что напоминали изюм в британском десерте.
Следующим ученым, который внес изменения и развил атомную модель, был Эрнест Резерфорд, который учился под руководством Томсона. В 1911 он опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженные электроны вокруг него. Планетарная модель атома появилась после того, как Резерфорд с помощниками выпустил по тонкой фольге из золота альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых той же электростатической силой, которая связывает ядро любого атома.
Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц был рассеян под очень большим углом к первоначальному направлению движения. Резерфорд смог ориентировочно вычислить размер ядра атома золота, обнаружив, что оно в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома. При этом большая часть атома является пустым пространством. Модель атома Резерфорда по-прежнему остается базовой моделью, которая используется сегодня, несмотря на ее ограниченные возможности.
Несколько других ученых в последствии продвигали атомную модель. Нильс Бор продвигал теорию, построенную на модели Резерфорда, включив в нее свойства электронов на основе спектра водорода. Эрвин Шредингер разработал квантовую модель атома. Вернер Гейзенберг указал, что нельзя узнать одновременно положение и скорость электрона. А Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, независимо друг от друга, разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков.
👍 👍 👍
