Атом - мельчайшая частица химического элемента. Как он устроен и какие модели его строения предложили учёные за последние сто лет?
Что такое атом?
Атом - это наименьшая частица химического элемента, которая сохраняет его химические свойства. Само слово происходит от древнегреческого ἄτομος (átomos) - «неделимый». Древние философы считали атом мельчайшей частицей материи, которую нельзя разделить. Сегодня известно, что он делится и имеет сложную внутреннюю структуру, но название сохранилось.
Размеры атомов - порядка 0,1 нанометра. Для сравнения: толщина человеческого волоса в миллион раз больше диаметра атома. Масса тоже крайне мала: например, водород весит так мало, что потребуется около 600 миллиардов триллионов его атомов, чтобы набрать один грамм.
Атомы соединяются друг с другом и образуют молекулы, а молекулы - вещества. Например, молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разные виды атомов называются химическими элементами - их известно 118, они систематизированы в периодической таблице Менделеева. Всё вокруг нас (воздух, вода, камни, растения и наши тела) состоит из атомов. Они образуют каждый объект во Вселенной - от песчинки до звезды.
Кто открыл атом?
Идею о мельчайших неделимых частицах выдвинул древнегреческий философ Левкипп, а его ученик Демокрит развил её и дал им название «атом». По Демокриту атомы вечны, бесчисленны и постоянно движутся.
Научное обоснование дал английский химик Джон Дальтон в начале XIX века: он предположил, что каждый элемент состоит из одинаковых атомов определенной массы, а химические реакции — это перегруппировка атомов.
Долгое время существование атомов оставалось гипотезой — их никто не наблюдал напрямую. В начале XX века серия экспериментов подтвердила, что атомы реальны и имеют внутреннюю структуру: в 1897 году Джозеф Джон Томсон обнаружил электрон, а в 1911 году Эрнест Резерфорд направлял альфа-частицы на золотую фольгу и сделал вывод, что в центре атома находится крошечное плотное ядро.
Строение атома
Атом состоит из ядра в центре и электронной оболочки вокруг него. Ядро примерно в 100 000 раз меньше самого атома: оно содержит протоны и нейтроны, а вокруг него движутся электроны.
Протоны
Протоны – это положительно заряженные частицы в ядре атома. Заряд равен +1. Число протонов определяет, к какому элементу принадлежит атом: у водорода один протон, у углерода — шесть, у железа — 26. Это число называется атомным номером и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.
Нейтроны
Нейтроны – это электрически нейтральные частицы в ядре. По массе почти не отличаются от протонов, заряда не несут. Число нейтронов у атомов одного элемента может различаться — такие разновидности называются изотопами.
Электроны
Электроны – это отрицательно заряженные частицы, обращающиеся вокруг ядра. Заряд равен −1, масса в 1 836 раз меньше массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Если атом теряет или приобретает электроны, он становится ионом.
Атомное ядро
Ядро – это центральная часть атома, в которой сосредоточено более 99,9% его массы. Состоит из протонов и нейтронов - вместе их называют нуклонами, заряд равен числу протонов. Они отталкиваются друг от друга, но ядро удерживается благодаря сильному ядерному взаимодействию.
Схема строения атома
Электроны в атоме не летают хаотично — они располагаются на определенных энергетических уровнях, которые можно представить как оболочки одна внутри другой. Сначала заполняется ближайшая к ядру оболочка, затем - следующие. Порядок заполнения подчиняется определенным правилам, и у тяжелых элементов он не всегда строго последовательный.
На схемах это изображают в виде концентрических окружностей вокруг ядра, точками обозначают электроны. У гелия на единственной оболочке два электрона, у углерода — два на первой и четыре на второй. Каждая оболочка вмещает ограниченное число электронов: первая — не больше 2, вторая — до 8, третья — до 18.
Модели атома
Представления о строении атома менялись по мере накопления экспериментальных данных.
«Пудинг с изюмом» (Томсон, 1904 г.)
Физик Джозеф Джон Томсон представил атом как сферу с равномерно распределенным положительным зарядом, в которую вкраплены электроны - как изюм в пудинге. Модель объяснила электрическую нейтральность атома, но не выдержала проверки экспериментом.
Планетарная модель (Резерфорд, 1911 г.)
После опытов по рассеиванию альфа-частиц Эрнест Резерфорд показал: почти вся масса атома сосредоточена в крошечном ядре, а электроны вращаются вокруг него на произвольном расстоянии, как планеты вокруг Солнца. Но по законам классической физики такой электрон должен непрерывно терять энергию и упасть на ядро. Модель объяснила структуру атома, но не его стабильность - эту задачу позже решил Бор.
Модель Бора (1913 г.)
Нильс Бор дополнил планетарную модель идеей квантования: электроны движутся не на любом расстоянии от ядра, а только на определенных орбитах. Пока электрон на своей орбите, он не теряет энергию. Перескочить на другую орбиту можно, только поглотив или излучив строго определённую порцию энергии - квант.
Квантово-механическая модель (1920-е г.)
Современная модель отказывается от орбит вовсе. В ней электрон ведёт себя одновременно как частица и как волна, и его точное положение нельзя определить - можно лишь рассчитать вероятность обнаружить его в той или иной области пространства. Эту область называют электронным облаком, или орбиталью. Орбитали имеют разные формы (от простой сферы до сложных объемных фигур), и именно они определяют, как атомы соединяются друг с другом.
Вместо заключения, или коротко о главном:
1. Атом - мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. Всё вокруг нас состоит из атомов.
2. Идею о неделимых частицах вещества выдвинули древнегреческие философы Левкипп и Демокрит в V веке до нашей эры. Научное обоснование дал Джон Дальтон в начале XIX века.
3. Атом состоит из ядра (протоны и нейтроны) и электронной оболочки. Более 99,9% массы сосредоточено в ядре.
4. Число протонов определяет, к какому элементу принадлежит атом. Число нейтронов в атоме одного вещества может варьироваться - такие разновидности называются изотопами.
5. Электроны располагаются на энергетических уровнях, каждый из которых вмещает ограниченное число этих частиц.
6. Представления о строении атома эволюционировали: от «пудинга с изюмом» Томсона до квантово-механической модели с электронными облаками.