Название «атом» с греческого переводится как «неделимый». Все вокруг нас - твердые вещества, жидкости и воздух - построено из миллиардов этих частиц.
Появление версии об атоме
Впервые об атомах стало известно в V столетии до нашей эры, когда греческий философ Демокрит предположил, что материя состоит из движущихся крошечных частичек. Но тогда не было возможности проверить версию их существования. И хотя никто не мог увидеть эти частицы, идея обсуждалась, ведь только так ученые могли объяснить процессы, происходящие в реальном мире. Поэтому они верили в существование микрочастиц задолго до того времени, когда смогли доказать этот факт.
Только в XIX в. они стали анализироваться как мельчайшие составляющие химических элементов, имеющие конкретные свойства атомов — способность вступать в соединения с другими в строго назначенном количестве. Вначале XX века считалось, что атомы - минимальные частички материи, пока не было доказано, что они состоят из еще меньших единиц.
Из чего состоит химический элемент?
Атом химического элемента - микроскопический строительный кирпичик материи. Определяющим признаком этой микрочастицы стала молекулярная масса атома. Только открытие периодического закона Менделеева обосновало, что их виды представляют собой разнообразные формы единой материи. Они настолько малы, что их невозможно увидеть, применяя обычные микроскопы, только самые мощные электронные приборы. Для сравнения, волосок на руке человека в миллион раз шире.
Электронная структура атома имеет ядро, состоящее из нейтронов и протонов, а также электронов, которые совершают обороты вокруг центра на постоянных орбитах, как планеты вокруг своих звезд. Все они скреплены электромагнитной силой, одной из четырех главных во вселенной. Нейтроны - это частички с нейтральным зарядом, протоны наделены положительным, а электроны - отрицательным. Последние притягиваются к положительно заряженным протонам, поэтому им свойственно оставаться на орбите.
Структура атома
В центральной части имеется ядро, заполняющее минимальную часть всего атома. Но исследования показывают, что почти вся масса (99.9%) расположена именно в нем. Каждый атом содержит протоны, нейтроны, электроны. Число вращающихся электронов в нем равняется положительному центральному заряду. Частицы с одинаковым зарядом ядра Z, но различными атомной массой А и числом нейтронов в ядре N именуются изотопами, а с одинаковой А и разными Z и N - изобарами. Электрон — минимальная частица вещества с отрицательным электрическим зарядом е=1,6·10-19 кулона. Заряд иона определяет количество утраченных или прибавленных электронов. Процесс метаморфозы нейтрального атома в заряженный ион именуется ионизацией.
Новая версия модели атома
Физики открыли на сегодняшний день множество других элементарных частичек. Электронная структура атома имеет новую версию.
Считается, что протоны и нейтроны, какими бы маленькими они не были, состоят из наименьших частичек, которые называются - кварки. Они составляют новую модель построения атома. Как раньше ученые собирали доказательства для существования предыдущей модели, так и сегодня пытаются доказать существование кварков.
РТМ - прибор будущего
Современные ученые могут увидеть на мониторе компьютера атомные частички вещества, а также двигать их по поверхности, используя специальный инструмент, который носит название растровый туннельный микроскоп (РТМ).
Это компьютеризированный инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Когда наконечник движется, электроны перемещаются сквозь зазор между наконечником и поверхностью. Хотя материал выглядит совершенно гладким, на самом деле он неровный на атомном уровне. Компьютер делает карту поверхности вещества, создавая образ его частичек, и ученые, таким образом, могут увидеть свойства атома.
Радиоактивные частицы
Отрицательно заряженные ионы кружатся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Структура атома такая, что целый он действительно нейтральный и не имеет электрического заряда, потому что все его частицы (протоны, нейтроны, электроны) находятся в балансе.
Радиоактивный атом - это элемент, который можно легко расщепить. Центр его состоит из множества протонов и нейтронов. Исключение являет собой только схема атома водорода, который имеет один единственный протон. Ядро окружает облако электронов, именно их притяжение заставляет вращаться вокруг центра. Протоны одинаковым зарядом отталкивают друг друга.
Это не проблема для большинства небольших частиц, у которых их несколько. Но некоторые из них нестабильны, особенно это касается крупных по размеру, таких как уран, который имеет 92 протона. Иногда его центр не выдерживает такой нагрузки. Радиоактивным они называются из-за того, что выбрасывают несколько частиц из своего ядра. После того, как нестабильное ядро избавилось от протонов, оставшиеся образовывают новое дочернее. Оно может быть стабильным в зависимости от количества протонов в новом ядре, а может делиться дальше. Этот процесс длится до тех пор, пока не останется стабильное дочернее ядро.
Свойства атомов
Физико-химические свойства атома закономерно изменяются от одного элемента к другому. Они определяются следующими основными параметрами.
Атомная масса. Так как основное место микрочастицы занимают протоны и нейтроны, то сумма их обусловливает число, которую выражают в атомных единицах массы (а.е.м.) Формула: A = Z + N.
Атомный радиус. Радиус находится в зависимости от расположения элемента в системе Менделеева, химической связи, количества атомов-соседей и квантовомеханического действия. Радиус ядра в сто тысяч раз меньше радиуса самого элемента. Структура атома может лишаться электронов и превращаться в положительный ион или добавлять электроны, и становиться отрицательным ионом.
В Менделеева любой химический элемент занимает свое установленное место. В таблице размер атома возрастает при перемещении сверху вниз и убавляется при перемещении слева направо. Следуя из этого, наименьший элемент — это гелий, а наибольший — цезий.
Валентность. Наружная электронная оболочка атома именуется валентной, а электроны в ней получили соответственное название - валентные электроны. Их количество устанавливает то, как атом соединяется с остальными с помощью химической связи. Способом создания последней микрочастицы пытаются наполнить свои наружные валентные оболочки.
Гравитация, притяжение - это сила, которая держит планеты на орбите, из-за нее выпущенные из рук предметы падают на пол. Человек больше замечает гравитацию, но электромагнитное действие во много раз мощнее. Сила, которая притягивает (или отталкивает) заряженные частицы в атоме, в 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз мощнее, чем гравитация в нем. Но в центре ядра существует еще более могучая сила, способная удерживать протоны и нейтроны вместе.
Реакции в ядрах создают энергию как в ядерных реакторах, где атомы расщепляются. Чем тяжелее элемент, тем из большего количеств частиц построены его атомы. Если сложить общее количество протонов и нейтронов в элементе, узнаем его массу. Например, Уран, самый тяжелый элемент, имеющийся в природе, имеет атомную массу 235 или 238.
Деления атома на уровни
Атома - это величина пространства вокруг ядра, где в движении находится электрон. Всего существует 7 орбиталей, соответствующих числу периодов в таблице Менделеева. Чем более отдаленное расположение электрона от ядра, тем более значительным резервом энергии он владеет. Номер периода указывает на число вокруг его ядра. Например, Калий — элемент 4 периода, значит, он имеет 4 энергетические уровни атома. Номер химического элемента отвечает его заряду и числу электронов вокруг ядра.
Атом - источник энергии
Наверное, самая знаменитая научная формула открыта немецким физиком Эйнштейном. Она утверждает, что масса есть не что иное, как форма энергии. Исходя из этой теории, можно превратить материю в энергию и рассчитать по формуле, сколько ее можно получить. Первым практическим результатом такого превращения стали атомные бомбы, которые сначала были испытаны в пустыне Лос-Аламос (США), а затем взорвались над японскими городами. И хотя только седьмая часть взрывчатого вещества превратилась в энергию, разрушающая сила атомной бомбы была ужасной.
Для того чтобы ядро освободило свою энергию, оно должно разрушится. Чтобы расщепить его, необходимо подействовать нейтроном снаружи. Тогда ядро распадается на два других, более легких, обеспечивая при этом огромный выброс энергии. Распад приводит к освобождению других нейтронов, а они продолжают расщеплять другие ядра. Процесс превращается в цепную реакцию, в результате создавая огромное количество энергии.
Плюсы и минусы использования ядерной реакции в наше время
Разрушающую силу, которая освобождается при превращении материи, человечество пытается приручить на атомных станциях. Здесь ядерная реакция происходит не в виде взрыва, а как постепенная отдача тепла.
Производство атомной энергии имеет свои плюсы и минусы. По мнению ученых, чтобы поддерживать нашу цивилизацию на высоком уровне, необходимо использовать этот огромный источник энергии. Но следует учитывать и то, что даже самые современные разработки не могут гарантировать полной безопасности атомных электростанций. Кроме того, полученные в процессе производства энергии при ненадлежащем хранении могут сказываться на наших потомках на протяжении десятков тысяч лет.
После аварии на Чернобыльской АЭС все больше людей считает производство атомной энергии очень опасным для человечества. Единственной безопасной электростанцией такого рода является Солнце со своей ядерной энергией огромной мощности. Ученые разрабатывают всевозможные модели солнечных батарей, и, возможно, в недалеком будущем человечество сможет обеспечить себя безопасной атомной энергией.
Что такое "атом"?
До начала 20 века в науке бытовало мнение, что атом - неделимая частица. Однако, это оказалось не так. На самом деле в атом входят, так называемые, субатомные частицы. Для химиков особый интерес представляют: протон , нейтрон и электрон :
В основе атомной единицы массы (а.е.м.) лежит углеродная шкала-12. Атом углерода состоит из 6 протонов и 6 нейтронов и имеет атомную массу = 12 а.е.м. Отсюда, 1 а.е.м. = 1/12 части атома углерода.
Массы протонов и нейтронов практически равны. Масса электрона в 2000 раз меньше.
Несмотря на тот факт, что атом содержит как положительно заряженные частицы, так и отрицательно, его заряд нейтрален. Это объясняется тем, что в атоме одинаковое количество протонов и электронов. Разнозаряженные частицы нейтрализуют друг друга.
Эрнест Резерфорд в 1911 году предложил следующую модель атома: В центре находится положительно заряженное ядро, состоящее из протонов и нейтронов. Вокруг ядра вращаются электроны. Основная часть массы атома сосредоточена в ядре, которое имеет малый размер и чрезвычайно большую плотность (диаметр атома равен 10 -10 м; диаметр ядра атома = 10 -15 м). Говоря языком аллегорий: если представить атом в виде Олимпийского стадиона в Пекине, то ядро атома - это футбольный мяч, которым играют в футбол на этом стадионе.
Внимательный читатель задаст вопрос: "Если в ядре атома находятся положительно заряженные протоны, а одноименные заряды, как известно, отталкиваются, то почему ядро атома не разрушается?" Ученые пришли к выводу, что в ядре атома действуют некие, "склеивающие протоны", силы, которые и удерживают в целости ядро.
Т.к. ядро атома составляет основную массу атома, то массу атома можно считать равной сумме масс нейтронов и протонов.
Исходя из всего вышесказанного, глядя на структурный символ кислорода, можно смело сказать, что в его атоме присутствует 8 электронов.
- O - химический символ элемента (кислород);
- 16 - массовое число;
- 8 - порядковый (атомный) номер.
Атомы одного элемента, имеющие один и тот же заряд ядра, но различные массовые числа, называются изотопами .
Изотопы водорода:
- 1 1 H - протий;
- 1 2 H - дейтерий;
- 1 3 H - тритий;
Состав ядра атома. Расчет протонов и нейтронов
Согласно современным представлениям, атом состоит из ядра и расположенных вокруг него электронов. Ядро атома, в свою очередь, состоит из более малых элементарных частиц ‒ из определенного количества протонов и нейтронов (общепринятое название для которых – нуклоны), связанных между собой ядерными силами.
Количество протонов в ядре определяет строение электронной оболочки атома. А электронная оболочка определяет физико-химические свойства вещества. Число протонов соответствует порядковому номеру атома в периодической системе химических элементов Менделеева, именуется также зарядовое число, атомный номер, атомное число. Например, число протонов у атома Гелия – 2. В периодической таблице он стоит под номером 2 и обозначается как He 2 Символом для обозначения количества протонов служит латинская буква Z. При записи формул зачастую цифра, указывающая на количество протонов, располагается снизу от символа элемента либо справа, либо слева: He 2 / 2 He.
Количество нейтронов соответствует определённому изотопу того или иного элемента. Изотопы – это элементы с одинаковым атомным номером (одинаковым количеством протонов и электронов), но с разным массовым числом. Массовое число – общее количество нейтронов и протонов в ядре атома (обозначается латинской буквой А). При записи формул массовое число указывается вверху символа элемента с одной из сторон: He 4 2 / 4 2 He (Изотоп Гелия – Гелий - 4)
Таким образом, чтобы узнать число нейтронов в том или ином изотопе, следует от общего массового числа отнять число протонов. Например, нам известно, что в атоме Гелия-4 He 4 2 cодержится 4 элементарные частицы, так как массовое число изотопа – 4 . При этом нам известно, что He 4 2 меет 2 протона. Отняв от 4 (общее массовое число) 2 (кол-во протонов) получаем 2 – количество нейтронов в ядре Гелия-4.
ПРОЦЕСС РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРЕ АТОМА. В качестве примера мы не случайно рассмотрели Гелий-4 (He 4 2), ядро которого состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку ядро Гелия-4, именуемое альфа-частицей (α-частица) обладает наибольшей эффективностью в ядерных реакциях, его часто используют для экспериментов в этом направлении. Стоит отметить, что в формулах ядерных реакций зачастую вместо He 4 2 используется символ α.
Именно с участием альфа-частиц была проведена Э. Резерфордом первая в официальной истории физики реакция ядерного превращения. В ходе реакции α-частицами (He 4 2) «бомбардировались» ядра изотопа азота (N 14 7), вследствие чего образовался изотоп оксигена (O 17 8) и один протон (p 1 1)
Данная ядерная реакция выглядит следующим образом:
Осуществим расчёт количества фантомных частичек По до и после данного преобразования.
ДЛЯ РАСЧЁТА КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО НЕОБХОДИМО:
Шаг 1. Посчитать количество нейтронов и протонов в каждом ядре:
- количество протонов указано в нижнем показателе;
- количество нейтронов узнаем, отняв от общего массового числа (верхний показатель) количество протонов (нижний показатель).
Шаг 2. Посчитать количество фантомных частичек По в атомном ядре:
- умножить количество протонов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 протоне;
- умножить количество нейтронов на количество фантомных частичек По, содержащихся в 1 нейтроне;
Шаг 3. Сложить количество фантомных частичек По:
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах до реакции;
- сложить полученное количество фантомных частичек По в протонах с полученным количеством в нейтронах в ядрах после реакции;
- сравнить количество фантомных частичек По до реакции с количеством фантомных частичек По после реакции.
ПРИМЕР РАЗВЁРНУТОГО ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДРАХ АТОМОВ.
(Ядерная реакция с участием α-частицы (He 4 2), провёденная Э. Резерфордом в 1919 году)
ДО РЕАКЦИИ (N 14 7 + He 4 2)
N 14 7
Количество протонов: 7
Количество нейтронов: 14-7 = 7
в 1 протоне – 12 По, значит в 7 протонах: (12 х 7) = 84;
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 7 нейтронах: (33 х 7) = 231;
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 84+231 = 315
He 4 2
Количество протонов – 2
Количество нейтронов 4-2 = 2
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 2 протонах: (12 х 2) = 24
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 2 нейтронах: (33 х 2) = 66
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 24+66 = 90
Итого, количество фантомных частичек По до реакции
N 14 7 + He 4 2
315 + 90 = 405
ПОСЛЕ РЕАКЦИИ (O 17 8) и один протон (p 1 1):
O 17 8
Количество протонов: 8
Количество нейтронов: 17-8 = 9
Количество фантомных частичек По:
в 1 протоне – 12 По, значит в 8 протонах: (12 х 8) = 96
в 1 нейтроне – 33 По, значит в 9 нейтронах: (9 х 33) = 297
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 96+297 = 393
p 1 1
Количество протонов: 1
Количество нейтронов: 1-1=0
Количество фантомных частичек По:
В 1 протоне – 12 По
Нейтроны отсутствуют.
Общее количество фантомных частичек По в ядре: 12
Итого, количество фантомных частичек По после реакции
(O 17 8 + p 1 1):
393 + 12 = 405
Сравним количество фантомных частичек По до и после реакции:
ПРИМЕР СОКРАЩЁННОЙ ФОРМЫ ВЫЧИСЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФАНТОМНЫХ ЧАСТИЧЕК ПО В ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ.
Известной ядерной реакцией является реакция взаимодействия α-частиц с изотопом бериллия, прикоторой впервые был обнаружен нейтрон, проявивший себя как самостоятельная частица в результате ядерного преобразования. Данная реакция была осуществлена в 1932 году английским физиком Джеймсом Чедвиком. Формула реакции:
213 + 90 → 270 + 33 - количество фантомных частичек По в каждом из ядер
303 = 303 - общая сумма фантомных частичек По до и после реакции
Количества фантомных частичек По до и после реакции равны.
Как уже отмечалось, атом состоит из трех видов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов. Атомное ядро - центральная часть атома, состоящая из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон, в ядре они могут превращаться друг в друга. Ядро простейшего атома - атома водорода - состоит из одной элементарной частицы - протона.
Диаметр ядра атома равен примерно 10-13 - 10-12 см и составляет 0,0001 диаметра атома. Однако, практически вся масса атома (99,95-99,98%) сосредоточена в ядре. Если бы удалось получить 1 см3 чистого ядерного вещества, масса его составила бы 100-200 млн.т. Масса ядра атома в несколько тысяч раз превосходит массу всех входящих в состав атома электронов.
Протон - элементарная частица, ядро атома водорода. Масса протона равна 1,6721 х 10-27 кг, она в 1836 раз больше массы электрона. Электрический заряд положителен и равен 1,66 х 10-19 Кл. Кулон - единица электрического заряда, равная количеству электричества, проходящему через поперечное сечение проводника за время 1с при неизменной силе тока 1А (ампер).
Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов. Это число постоянное для данного элемента и определяет его физические и химические свойства. То есть от количества протонов зависит, с каким химическим элементом мы имеем дело. Например, если в ядре один протон - это водород, если 26 протонов - это железо. Число протонов в атомном ядре определяет заряд ядра (зарядовое число Z) и порядковый номер элемента в периодической системе элементов Д.И. Менделеева (атомный номер элемента).
Нейтрон - электрически нейтральная частица с массой 1,6749 х 10-27кг, в 1839 раз больше массы электрона. Нейрон в свободном состоянии - нестабильная частица, он самостоятельно превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Период полураспада нейтронов (время, в течение которого распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. Однако в связанном состоянии внутри стабильных атомных ядер он стабилен. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре называют массовым числом (атомной массой - А). Число нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между массовым и зарядовым числами: N = A - Z.
Электрон - элементарная частица, носитель наименьшей массы - 0,91095х10-27г и наименьшего электрического заряда - 1,6021х10-19 Кл. Это отрицательно заряженная частица. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре, т.е. атом электрически нейтрален.
Позитрон - элементарная частица с положительным электрическим зарядом, античастица по отношению к электрону. Масса электрона и позитрона равны, а электрические заряды равны по абсолютной величине, но противоположны по знаку.
Различные типы ядер называют нуклидами. Нуклид - вид атомов с данными числами протонов и нейтронов. В природе существуют атомы одного и того же элемента с разной атомной массой (массовым числом):
, Cl и т.д. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Разновидности атомов одного и того же элемента, имеющие одинаковый заряд ядер, но различное массовое число, называются изотопами
. Обладая одинаковым количеством протонов, но различаясь числом нейтронов, изотопы имеют одинаковое строение электронных оболочек, т.е. очень близкие химические свойства и занимают одно и то же место в периодической системе химических элементов.
Обозначают символом соответствующего химического элемента с расположенным сверху слева индексом А - массовым числом, иногда слева внизу приводится также число протонов (Z). Например, радиоактивные изотопы фосфора обозначают 32Р, 33Р или Р и Р соответственно. При обозначении изотопа без указания символа элемента массовое число приводится после обозначения элемента, например, фосфор - 32, фосфор - 33.
Большинство химических элементов имеет по несколько изотопов. Кроме изотопа водорода 1Н-протия, известен тяжелый водород 2Н-дей-терий и сверхтяжелый водород 3Н-тритий. У урана 11 изотопов, в природных соединениях их три (уран 238, уран 235, уран 233). У них по 92 протона и соответственно 146,143 и 141 нейтрон.
В настоящее время известно более 1900 изотопов 108 химических элементов. Из них к естественным относятся все стабильные (их примерно 280) и естественные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств (их 46). Остальные относятся к искусственным, они получены искусственным путем в результате различных ядерных реакций.
Термин «изотопы» следует применять только в тех случаях, когда речь идет об атомах одного и того же элемента, например, углерода 12С и 14С. Если подразумеваются атомы разных химических элементов, рекомендуется использовать термин «нуклиды», например, радионуклиды 90Sr, 131J, 137Cs.