Атом – сложная частица

История развития представлений о строении атома

Понятие «атом» было известно ещё в древности и использовалось для описания представлений об устройстве окружающего мира древнегреческими философами, так Левкипп (500-200 гг. до н.э.) утверждал, что мир состоит из мельчайших частиц и пустоты, а Демокрит назвал эти частицы атомами и считал, что они существуют вечно и способны двигаться. По представлениям древних философов атомы были настолько малы, что не могли быть измерены, а форма и внешнее различие придают свойства определенным телам. Например, атомы железа должны обладать «зубцами», чтобы зацепляться друг за друга и образовывать твердое тело, атомы же воды, напротив, должны быть гладкими и перекатываться, чтобы обеспечивать воде текучесть. Первое предположение о способности атомов самостоятельно взаимодействовать друг с другом было сделано Эпикуром.

Создателем атомно-молекулярного учения считают М.В. Ломоносова, он различал в строении вещества две ступени: элементы (атомы, в нашем понимании) и корпускулы (молекулы). Ломоносов утверждал, что простые вещества состоят из атомов одного вида, а сложные – из различных атомов.

Всемирное признание атомно-молекулярная теория получила благодаря Дж. Дальтону, который, в отличии от древнегреческих философов при формулировании своих утверждений опирался только на экспериментальные данные. Дж. Дальтон ввел одну из важнейших характеристик атома – атомную массу, относительные значения которой были установлены для ряда элементов. Но, несмотря сделанные им открытия атом считали неделимым.

После получения экспериментальных доказательств (конец XIX начало XX века) сложности строения атома: открытие фотоэффекта (испускание носителей электрического заряда с поверхности металлов при их освещении), катодных (поток отрицательно заряженных частиц – электронов, в трубке, в которой имеется катод и анод) и рентгеновских лучей (испускание веществами сильного электромагнитного излучения, подобного видимому свету, но более высокочастотного, при действии на эти вещества катодных лучей), радиоактивности (самопроизвольное превращение одного элемента в другой, при котором происходит испускание электронов, положительно заряженных и других частиц, а также рентгеновского излучения) было установлено, что атом состоит из отрицательно и положительно заряженных частиц, которые взаимодействуют между собой. Эти открытия дали толчок к созданию первых моделей строения атома.

Модели строения атома

Одна из первых моделей атома была разработана У. Томсоном (1902) По мнению У. Томсона атом – сгусток положительно заряженной материи, внутри – равномерно распределены электроны, а атом водорода представляет собой положительно заряженный шар, внутри которого электрон (рис. 1а). Эту модель была доработана Дж. Томсоном (1904) (рис.1б). В том же году японский физик Х. Нагаока предложил «сатурнианскую модель» строения атома, предполагая, что атом подобен планете Сатурну – в центре ядро, окруженное кольцами, по которым движутся электроны (рис.1в).

Ещё одну модель предложил немецкий физик Филипп фон Ленард, согласно которой атом состоит из нейтральных частиц крайне малых размеров (вследствие чего, большая часть атома – пустота), каждая из которых – электрический дуплет (рис. 1г).

Рис. 1. Модели строения атома: а – У. Томсона; б – Дж.Томсона; в – Х. Нагаока; г – Ф.Ленарда

После опытов с -частицами, в 1911г. Резерфорд предложил так называемую планетарную модель строения атома, похожую на строение солнечной системы (маленькое положительно заряженное ядро в центре атома, в котором заключена почти вся масса атома, вокруг которого по орбитам движутся электроны). Планетарная модель подверглась дальнейшему развитию в работах Н. Бора, А. Зоммерфельда и др.

Современная модель строения атома основана на знаниях квантовой механики, главный тезис которой – микрочастицы имеют волновую природу, а волны — свойства частиц. Квантовая механика рассматривает вероятность нахождения электрона вокруг ядра. Пространство вокруг ядра, в котором наиболее вероятно нахождение электрона, называется орбиталью.

Изотопы

Изотопы – атомы, обладающие одинаковым зарядом ядра, но разной массой. Такие атомы обладают практически одинаковым строением электронной оболочки и принадлежат одному элементу. Исследование природных соединений разных элементов показывает существование устойчивых изотопов у большинства элементов периодической системы. Для всех элементов периодической системы число изотопов, встречающихся в природе, достигает 280.

Самым ярким примером изотопии можно назвать изотопы водорода –водород, дейтерий и тритий. В природе встречаются водород и дейтерий. Тритий получается искусственно.

Неустойчивые изотопы, т.е., обладающие способностью самопроизвольно распадаться называют радиоактивными изотопами. Они также могут встречаться в природных соединениях некоторых элементов.

Состав ядра атома. Ядерные реакции

В ядре атома содержится множество элементарных частиц, самые важные из которых – протон (p) и нейтрон (n). Масса протона 1,0073 а.е.м., заряд +1, в то время как нейтрон электронейтрален (заряд 0) и обладает массой 1,0087 а.е.м.

Согласно протонно-нейтронной теории строения ядра (Д.Д. Иваненко, Е.Н. Гапон, 1932) ядра всех атомов, исключая водород, состоят из Z протонов и (А-Z) нейтронов (Z – порядковый номер элемента, А – массовое число). Число электронов равно числу протонов.

где N – число нейтронов.

Свойства ядра определяются его составом (чиcлом p и n). Так, например, в атоме кислорода ¹⁶₈О 8 протонов и 16-8=8 нейтронов, что кратко записывается 8p, 8n.

Внутри ядер p и n могут превращаться (при определенных условиях) друг в друга:

где e⁺ — позитрон (элементарная частица с массой, равной массе электрона т зарядом +1), а и — нейтрино и антинейтрино, элементарные частицы с массой и зарядом равными нулю, отличающимися только спином.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер, в результате их взаимодействия с элементарными частицами или друг с другом. При написании уравнений ядерных реакций необходимо учитывать законы сохранения массы и заряда. Например: ²⁷₁₃Al + ⁴₂He = ³⁰ ₁₄Si + ¹₁H.

Особенность ядерных реакций – выделение огромного количества энергии в форме кинетической энергии образующихся частиц или излучения.

Задания:

1. Определите число протонов, нейтронов и электронов в атомах S, Se, Al, Ru.

2. Закончите ядерные реакции: ¹⁴₇N + ⁴₂He = ; ¹²₆C + ¹₀n =.

Ответы:

1. S: Z= 16, А = 32, следовательно 16p, 16e, 32-16=16n

Se: Z= 34, А = 79, следовательно 34p, 34e, 79-34=45n

Al: Z= 13, А = 27, следовательно 13p, 13e, 27-13=14n

Ru: Z= 44, А = 101, следовательно 44p, 44e, 101-44=57n

2. ¹⁴₇N + ⁴₂He = ¹⁷₈О + ¹₁Н

¹²₆C + ¹₀n =⁹₄Be + ⁴₂He