Электрический заряд атома и его строение¶

Заряд атома — суммарный электрический заряд всех входящих в его состав частиц, определяемый числом и соотношением протонов и электронов. В нейтральном состоянии атом электрически нейтрален, поскольку положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом электронной оболочки. Нарушение этого баланса превращает атом в ион — заряженную частицу.

¶Строение атома и носители заряда

Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Ядро образовано протонами и нейтронами (общее название — нуклоны). Носителями элементарного положительного заряда являются протоны, носителями отрицательного — электроны. Нейтроны заряда не имеют.

Элементарный заряд — фундаментальная физическая константа, приблизительно равная 1,602·10⁻¹⁹ кулона. Заряд любого тела, включая атом, всегда кратен этой величине. Именно поэтому говорят о дискретности, или квантовании, электрического заряда.

¶Заряд ядра и порядковый номер

Число протонов в ядре называют зарядовым числом, или атомным номером элемента. Этот параметр совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице Д. И. Менделеева. Так, у водорода в ядре один протон, у гелия — два, у углерода — шесть, у урана — девяносто два.

Заряд ядра определяет химическую индивидуальность элемента: именно он, а не масса атома, задаёт положение в периодической системе и число электронов у нейтрального атома. Открытие этого факта связано с опытами Эрнеста Резерфорда по рассеянию альфа-частиц (1911) и последующими работами Генри Мозли, установившего связь между частотой рентгеновского излучения и атомным номером.

Обозначение заряда ядра принято записывать как Z. Число нейтронов N вместе с Z даёт массовое число A = Z + N. Атомы одного элемента с разным числом нейтронов называются изотопами; их заряд ядра одинаков, а масса различается.

¶Нейтральный атом и ионы

В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Если атом теряет один или несколько электронов, он приобретает положительный заряд и становится положительным ионом (катионом). Если присоединяет лишние электроны — отрицательным ионом (анионом).

Примеры:

• атом натрия (11 протонов, 11 электронов) нейтрален; потеряв один электрон, превращается в ион Na⁺;
• атом хлора (17 протонов, 17 электронов) нейтрален; присоединив один электрон, образует ион Cl⁻;
• атом железа может отдавать два или три электрона, образуя ионы Fe²⁺ и Fe³⁺.

Способность атома отдавать или принимать электроны определяется строением внешней электронной оболочки и лежит в основе химической связи, электролиза и проводимости растворов.

¶Электронные оболочки

Электроны распределены по энергетическим уровням и подуровням. Число электронов в нейтральном атоме равно Z, а их размещение подчиняется принципу Паули и правилу Хунда. Внутренние электроны слабо влияют на химические свойства, тогда как электроны внешнего уровня (валентные) определяют реакционную способность элемента.

Заряд электрона равен по модулю заряду протона, но противоположен по знаку. Кулоновское притяжение между ядром и электронами удерживает оболочку; её устойчивость объясняется законами квантовой механики, а не классической моделью планетарного типа.

¶Способы измерения и ионизации

Заряд атома и его изменение исследуют методами спектроскопии, масс-спектрометрии и в опытах с электрическими и магнитными полями. Ионизация атома происходит при:

• поглощении фотона достаточной энергии (фотоионизация);
• столкновении с быстрой частицей (ударная ионизация);
• воздействии высокой температуры (термическая ионизация);
• сильном электрическом поле (полевая ионизация).

Энергия, необходимая для отрыва электрона от нейтрального атома, называется энергией ионизации. Она минимальна у щелочных металлов и максимальна у благородных газов.

¶Значение представлений о заряде атома

Понимание заряда атома лежит в основе атомной и ядерной физики, химии, электротехники и материаловедения. Оно объясняет строение периодической системы, природу химической связи, свойства проводников, полупроводников и электролитов, а также процессы в плазме и в звёздных недрах. В практическом плане эти знания применяются в электронике, энергетике, медицине (ионизирующее излучение, лучевая терапия) и в разработке новых материалов.

Источники: учебники по общей физике, курс атомной физики, материалы по периодической системе элементов, работы Э. Резерфорда и Г. Мозли.