Почему атом нейтрален

15 самых интригующих фактов об атомах

Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.

К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).

Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).

Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.

1. Состав атомов

Каждый атом содержит одно ядро ​​[в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.

2. Ядро содержит почти всю массу

Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.

3. Электроны чрезвычайно малы

Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.

4. Атом может иметь электрический заряд

Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.

Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).

5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?

Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.

Эта ядерная сила примерно в 1038 раз сильнее гравитационной, но действует только в очень малых масштабах.

6. 94 Атома естественного происхождения на Земле

Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.

7. Каждый атом уникален

Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.

Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.

8. Самый большой и самый маленький атом

Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.

Наименьший элемент — гелий, первый в группе благородных газов в периодической таблице. Его атомный радиус примерно в 9 раз меньше диаметра цезия.

Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.

9. Самый тяжелый и легкий атом

Оганессон — самый тяжелый элемент (по атомной массе), открытый в 2002 году. Это первый благородный газ, который удивительно химически активен и проявляет очень необычные физические и химические свойства.

Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.

Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.

10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?

В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.

Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.

11. Атомы в человеческом теле

Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.

Что еще интереснее, 98 процентов этих атомов обновляются каждый год, даже не подозревая об этом. Самая быстро меняющаяся молекула — это вода: почти 50 процентов молекул воды в организме заменяются каждые 8 ​​дней.

Более того, человеческий волос — 100 нанометров в поперечнике — состоит из миллиона атомов углерода.

12. Сколько атомов существует во Вселенной?

Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10 78 до 10 82 атомов.

Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.

13. Радиоактивные атомы

В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.

Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.

14. Видя атомы

Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.

Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния

Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.

15. Квантовая природа атомных свойств

Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.

Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.

Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.

О стабильности атома

Современная физика просто перенасыщена вопросами, которые не прилично задавать в обществе увешенных регалиями научных авторитетов, потому, что их наивность кроме разрежения от безграмотности их задающего ни чего более не вызывает.

Среди сонма этих неприличных вопросов и такой: почему атом нейтрален и стабилен?

Поскольку учащиеся, которым пытаются объяснить то, что сами учёные плохо понимают, подобные вопросы не перестают задавать, то для этих случаев и были сформулированы научно обоснованные ответы в которых сомневаться ни кому не позволено, особенно через чур любопытным школярам и студентам.

Нейтральность атома объясняется его строением. На внешних орбитах атома располагаются отрицательно заряженные электроны в количестве определенном таблицей Менделеева, то бишь химическими свойствами элементов. В ядре атома располагаются положительно заряженные протоны, которые и обеспечивают необходимую массу атома. Но часто их число превышает допустимое число электронов, поэтому, чтобы обеспечить нейтральность атома в ядре существуют нейтроны. Это почти тоже самое, что и протоны, только нейтральные.

Всё поняли? Переходим дальше.

Стабильность атома обеспечивается уравнением стабильности атома Нильса Бора, который в 1913 году сформулировал:

Кулоновские силы взаимодействия электронов с атомным ядром уравновешены центробежной силой электрона на его орбите:

Преобразование этого уравнения приводит нас к выражению радиуса электронной орбиты:

q – заряд электрона в Кулонах;
Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева;
е – энергия электрона в еВ.
9*10^(9) м/ф – коэффициент пропорциональности

Те, кто не в состоянии понять основы элементарной атомной физики, недостойны аттестата зрелости, и уж тем более права участвовать в диспутах на эту тему. Тема закрыта и обжалованию не подлежит.

Это был краткий обзор состояния современной атомной физики на уровне школьных знаний.

Поскольку мне аттестат зрелости уже не нужен, двери всех научных журналов для меня были закрыты изначально, а недавно я узнал, что моя крамола лишила меня права доступа на некоторые чопорные сайты, то я могу себе позволить задавать вопросы, на которые у современной науки просто нет ответов.

Читайте также  Почему мы видим одну сторону Луны

И так, вернёмся к вопросу нейтральности атома.

По современной планетарной модели, атом представляет собой электронную оболочку, в центре которой расположены положительные протоны. Каждый отдельно взятый электрон взаимодействует не с отдельным протоном, а с их совокупностью, т.е. с ядром как неким целым объектом. Поэтому компенсация заряда электрона протоном по предложенной модели один к одному может быть применена только к атому протия, однопротонному водороду. Во всех остальных случаях заряд электрона по предложенной схеме не может быть скомпенсирован, так как электрон не может в ядре выделить для себя протон, которому бы он проявил свое предпочтение и воспринимает всю эту «братию» как одно целое с зарядом Zq. Иными словами положительное электрическое поле вокруг каждого электрона в Z раз больше его собственного отрицательного поля. Эта первая ляпа, которая с лёгкостью проходит для самой невзыскательной публики.

Вторая ляпа связана с тем, что электрическое поле разнозаряженных объектов замыкается на зарядах. Иными словами, если поместить друг против друга два разноименных заряда электрические поля противоположных зарядов ни когда, ни при каких обстоятельствах, не смогут оказаться с противоположной стороны противоположного заряда. Поэтому если мы рассматриваем отрицательно заряженную оболочку, то с внешней стороны, она всегда будет отрицательной, сколько бы положительных зарядов мы в неё не вкладывали.

Таким образом, предложенная модель электрической нейтральности атома, противоречит азам физики.

В связи с этим возникает естественный вопрос: а зачем в этом случае вообще надо было создавать такой странный конструкт как нейтрон, который после распада атома существует не более 15 минут, распадаясь на протон, электрон и нейтрино, в то время как ни с протоном, ни с электроном, ни чего странного не происходит?

Теперь относительно стабильности центробежных и кулоновских сил.

Чтобы обеспечить подобное равновесие необходимо допустить, что размеры атомов не зависят от плотности и массы атомов. Поэтому если заглянуть в современную таблицу Менделеева (от которой бедный старик уже весь извертелся на том свете), то мы увидим, что действительно атомные радиусы не подчиняются даже уравнению стабильности Бора.

Алюминий (13) – 0,143 нм;
Кремний (14) – 0,118 нм;
Фосфор (15) – 0,130 нм и т.д.

Хотя, из уравнения стабильности мы видим, что радиус атома должен быть пропорционален атомному номеру.

Но это уже мелочи, на которые можно просто не обращать внимание.

Значительно интересней то, что водород, азот, кислород, фтор и хлор, имеют практически одинаковый радиус с отклонением не более 0,9% от радиуса идеального атома равного 1,3248925 нм, т.е. для этих элементов радиус атома не зависит от атомного номера элемента вообще никак. [1]

Итак, непредвзятый анализ свойств конкретных элементов приводит нас к убеждению, что атом представляет собой устойчивое сферическое образование с постоянным радиусом, который не зависит ни от массы, ни от плотности атома, а постоянен для всех элементов. В этом случае предположение о том, что стабильность атома определяется равновесием центробежных и кулоновских сил противоречит наблюдаемым фактам.

На сегодня, за сто лет изучения свойств реальных атомов, так и не была предложена ни одна модель, которая могла бы согласовать наблюдаемую плотность элементов с исследованными свойствами их электронной оболочки.

Очевидно, пришло время кардинально пересмотреть наши взгляды на природу гравитационного взаимодействия.

До настоящего времени закон всемирного тяготения открытый Ньютоном в 1666 году, остаётся единственным описанием гравитационного взаимодействия. Но уже анализ распределения скоростей космических объектов в Галактике говорит о том, что гравитационное взаимодействие описывается иными условиями.

В общем виде гравитационное взаимодействие может быть описано следующим уравнением:

F – сила гравитационного взаимодействия;
G – гравитационная константа;
М – масса гравитационного центра;
m – масса сателлита на орбите гравитационного центра;
R – радиус орбиты сателлита;
n – показатель степени, зависящий от размера пространственной области где рассматривается гравитационное взаимодействие.

Для макро размеров Солнечной системы n=2. Для размеров Галактики n=1, для Метагалактики n=1/2 и т.д.

Для пространственных микро размеров менее 10 нм гравитационное взаимодействие описывается уравнением:

n=3 до размеров 0,00001 Ферми

Гравитационная константа в этом случае определяется из выражения:

G(1) = ((3^(3) + 1) / (5^(3) * 3^(2))^1/2 = 0,1577621275 в ед.гр. – для элементов в газообразном состоянии.

G(2) = G(1) / 100 = 0,001577621275 в ед.гр. – для элементов в жидком и твёрдом состоянии.

Уравнение стабильности в этом случае имеет вид:

R = (0,001577621275 / 8,9875338*10^(16))^1/2 = 0,1324894 нм – для элементов в жидком и твёрдом состояниях.

Таким образом, в микроскопических областях гравитационное взаимодействие не зависит от массы гравитационного центра, а удерживает сателлит на криволинейной траектории исключительно только за счет массы самого сателлита. И если сателлит будет, по каким либо причинам, терять скорость, гравитационное взаимодействие по спирали приведет его в центр вращения, даже при отсутствии в нём какой либо массы вообще. Иными словами в микро пространстве мы сталкиваемся не с гравитацией двух тел, а с гравитацией одного тела, а это принципиально отличается от того, что нам сегодня известно о гравитационном взаимодействии.

Вторым важным следствием, очевидно, является то, что в условиях микропространства электромагнитное взаимодействие по своей мощности обратно пропорционально гравитационному. Иными словами, электрические и магнитные силы внутри атома существенно ниже сил гравитационного взаимодействия.

[1] Если исправить системные ошибки в определении атомных весов, то же верно и для всех иных элементов, если рассчитывать радиус по наблюдаемой для этих элементов плотности.

Что такое нейтральный атом? (С примерами)

Содержание:

  • Нейтральный атом против иона
  • Na vs Na +
  • Нейтральные молекулы
  • Примеры
  • Кислород
  • Медь
  • благородные газы
  • Металлические сплавы
  • Ссылки

А нейтральный атом Это тот, у которого отсутствует электрический заряд из-за компенсации между числом его протонов и электронов. Оба они являются электрически заряженными субатомными частицами.

Протоны объединяются с нейтронами и составляют ядро; в то время как электроны размыты, определяя электронное облако. Когда количество протонов в атоме, равное его атомному номеру (Z), равно количеству электронов, говорят, что существует компромисс между электрическими зарядами внутри атома.

Например, у вас есть атом водорода (верхнее изображение), в котором есть протон и электрон. Протон расположен в центре атома как его ядро, в то время как электрон вращается вокруг окружающего пространства, покидая области с более низкой электронной плотностью по мере удаления от ядра.

Это нейтральный атом, потому что Z равно количеству электронов (1p = 1e). Если атом H потеряет этот единственный протон, радиус атома сократится, и заряд протона будет преобладать, превратившись в катион H + (гидрон). Если, с другой стороны, он получил электрон, было бы два электрона, и он стал бы анионом H ­- (гидрид).

Нейтральный атом против иона

На примере нейтрального атома H было видно, что количество протонов равно количеству электронов (1p = 1e); ситуация, которая не происходит с ионами, производными потеря или приобретение электрона.

Ионы образуются в результате изменения числа электронов, потому что атом их приобретает (-) или теряет (+).

В атоме катиона H + валентный заряд одиночного протона преобладает над полным отсутствием электрона (1p> 0e). Это верно для всех других более тяжелых атомов (np> ne) в периодической таблице.

Хотя наличие положительного заряда может показаться незначительным, оно по диагонали меняет характеристики рассматриваемого элемента.

С другой стороны, в атоме аниона H – отрицательный заряд двух электронов преобладает над одиночным протоном в ядре (1p + и H – полностью отличаются от H.

Na vs Na +

Более известный пример — металлический натрий. Его нейтральный атом Na с Z = 11 имеет 11 протонов; поэтому должно быть 11 электронов, чтобы компенсировать положительные заряды (11p = 11e).

Натрий, являясь очень электроположительным металлическим элементом, очень легко теряет электроны; в этом случае он теряет только один — валентный слой (11p> 10e). Таким образом, образуется катион Na + , который электростатически взаимодействует с анионом; в виде хлорида, Cl – в хлоридной соли натрия NaCl.

Металлический натрий ядовит и вызывает коррозию, а его катион даже присутствует в клетках. Это показывает, как свойства элемента могут резко измениться, когда он получает или теряет электроны.

Читайте также  Почему нельзя часто плакать

С другой стороны, анион Na – (soduro, гипотетически) не существует; и если бы он мог быть сформирован, он был бы чрезвычайно реактивным, поскольку он противоречит химической природе натрия, чтобы получить электроны. Затем – у него было бы 12 электронов, что превышало бы положительный заряд его ядра (11p + , с другой стороны, у него есть атом кислорода с положительным частичным зарядом. Это означает, что в этом многоатомном ионе он теряет электрон, и поэтому число его протонов больше, чем число его электронов.

Примеры

Кислород

У нейтрального атома кислорода 8 протонов и 8 электронов. Когда он получает два электрона, он образует так называемый оксидный анион O 2- . В нем преобладают отрицательные заряды с избытком двух электронов (8p + , или медь, Cu 2+ соответственно.

Катион Cu + на один электрон меньше (29p 2+ он потерял два электрона (29p Категория : Наука

Каковы материальные источники истории?

Эстер Фернандес: «Мы интегрировали тревогу в нашу культуру»

Внутри атомного ядра: сильное и слабое

Читавшие статью про устройство атомов в «Квантике» № 11 за 2018 год знают, что любое вещество состоит всего из трёх типов элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны — тяжёлые, гораздо тяжелее электронов. Они образуют ядра атомов, а электроны летают вокруг этих ядер, совсем улететь им не даёт электрическое притяжение протонов: протоны имеют положительный заряд, а электроны — отрицательный, и все частицы с зарядами одного знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами разных знаков — притягиваются.

Задача 1

Размер атомного ядра примерно 10 −15 м 1 , а размер атома — диаметр орбит электронов — примерно 10 −10 м. Если мы, делая модель атома, в качестве ядра нарисуем ручкой точку размером 1 мм, какого размера нужно рисовать атом? А какого размера получится в таком масштабе модель вируса гриппа? Размер настоящего вируса гриппа — 10 −7 м.

Размер атома в этой модели (10 −10 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 5 мм = 100 м. Размер вируса (10 −7 : 10 −15 ) · 1 мм = 10 8 мм = 100 км.

Внутри атомного ядра протоны и нейтроны — они вместе называются нуклонами 2 — «держатся» друг за дружку ядерными силами. Это совсем не то же самое, что электрические (точнее, электромагнитные) силы. Например, в ядерном взаимодействии протон и нейтрон участвуют «на равных» (в отличие от электромагнитного, ведь у нейтрона электрического заряда нет, а у протона есть). Ядерное взаимодействие иначе называют сильным, так что можно сказать: «В ядре действуют сильные силы» — и это не будет бессмысленным повтором.

Эти «сильные силы» действительно очень велики, иначе ядра не удерживались бы и разваливались. Ведь протоны в них все «отпихиваются» друг от друга электрическими силами. К тому же нуклоны в ядре не стоят на месте, а быстро движутся. Попробуйте втроём-вчетвером взяться за руки и начать беспорядочно прыгать и метаться туда-сюда. Удержать друг друга и не расцепить руки будет гораздо сложнее, чем если бы все спокойно водили хоровод.

Радиоактивность

И всё же иногда сильного взаимодействия не хватает, чтобы удержать ядро, и оно разваливается на части. Это называется распад ядра, или радиоактивный распад, а элементы, или изотопы (помните, что это?), которые норовят распасться, называются радиоактивными. В большинстве атомов вокруг нас ядра устойчивые и никогда не развалятся. Разве что по ядру очень сильно стукнет, например, ещё один протон или нейтрон (это будет вынужденный распад). Они такие стабильные потому, что в них правильное соотношение протонов и нейтронов: у лёгких ядер — протонов и нейтронов примерно поровну, а у тяжёлых — нейтронов чуть больше; чем тяжелее ядро, тем больше доля нейтронов (проверьте по таблице Менделеева). Но ядру вредно быть очень толстым: если протонов в нём совсем много (больше 82), то устойчивой конфигурации уже нет: сколько нейтронов ни клади, ядро развалится.

Если соотношение протонов и нейтронов «неудачное», ядро рано или поздно распадётся. Некоторые, правда, могут перед этим прожить многие миллиарды лет, а другие не проживут и долю секунды. Ядро может развалиться на пару ядер поустойчивей и полегче, но чаще всего от него просто откалывается небольшой кусочек — обычно два протона и два нейтрона, то есть как раз ядро атома гелия. Ядро гелия (<>^<4>_<2>mathrm) иначе называется альфа-частицей, а распад с испусканием этой частицы — альфа-распадом. Вот пример такой ядерной реакции:

Здесь ядро урана превращается в ядро тория.

Задача 2

Вспомните, что значат числа, стоящие возле символа элемента, и проверьте, что ни один протон или нейтрон в этом процессе не пострадал.

Вверху слева — массовое число, то есть число нуклонов (протоны + нейтроны) в ядре, внизу слева — заряд ядра, то есть число протонов.

Задача 3

Напишите реакцию альфа-распада радия (сведения о радии см. в таблице Менделеева) 3 .

Атомы: строительные блоки молекул

Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.

Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).

На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.

Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.

Вопросы, которые можно задать об атомах:

1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?

Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.

Читайте также  Почему гарнитура не работает

Рисованный атом

Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).

Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.

В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.

Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.

Более реалистичный атом

Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.

С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.


Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).

Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.

Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.

Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!

Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.

Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.

Атом и его химия

Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.

Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).

Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.

Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.

1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.

А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:

Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: