Строение атома и его составные части¶

Атом — это наименьшая химически неделимая частица вещества, сохраняющая его химические свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра и окружающих его электронов. Представление о том, что атом имеет сложное внутреннее строение, окончательно утвердилось в физике в начале XX века, сменив более ранние модели неделимой частицы.

¶Историческое развитие представлений

Понятие атома впервые сформулировали древнегреческие философы Левкипп и Демокрит около V века до н. э. Они полагали, что материя состоит из мельчайших неделимых частиц. Однако до XIX века эти идеи оставались умозрительной философией.

В 1803 году английский химик Джон Дальтон предложил научную атомную теорию, согласно которой атомы — это неделимые шарики, а химические реакции сводятся к их перегруппировке. В 1897 году Джозеф Джон Томсон открыл электрон, что показало делимость атома. В 1904 году он предложил модель «пудинга с изюмом», где электроны вкраплены в положительно заряженную сферу.

В 1911 году Эрнест Резерфорд по результатам опытов по рассеянию альфа-частиц создал планетарную модель: почти вся масса атома сосредоточена в крошечном положительном ядре, вокруг которого движутся электроны. В 1913 году Нильс Бор дополнил модель постулатами о квантованных орбитах, а в 1920-х годах квантовая механика дала современное описание электронных облаков.

¶Состав атома

Атом имеет ядро и электронную оболочку.

¶Атомное ядро

Ядро состоит из нуклонов — протонов и нейтронов.

• Протон — частица с положительным зарядом +1 и массой примерно 1,673·10⁻²⁷ кг.
• Нейтрон — электрически нейтральная частица с массой около 1,675·10⁻²⁷ кг.

Число протонов в ядре определяет атомный номер элемента в периодической таблице Менделеева и его химические свойства. Число нейтронов может варьироваться, образуя изотопы одного элемента. Суммарное число протонов и нейтронов называют массовым числом.

Размер ядра составляет порядка 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м, тогда как размер всего атома — около 10⁻¹⁰ м. Таким образом, ядро примерно в 10 000–100 000 раз меньше атома, но содержит более 99,9 % его массы.

¶Электронная оболочка

Электроны — отрицательно заряженные частицы с зарядом −1 и массой около 9,11·10⁻³¹ кг, что примерно в 1836 раз меньше массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов.

Электроны распределяются по энергетическим уровням и подуровням. Согласно квантовой механике, точное положение электрона одновременно определить нельзя — существует лишь вероятность его нахождения в определённой области, описываемая волновой функцией. Пространство вокруг ядра, где вероятность обнаружения электрона высока, называют орбиталью или электронным облаком.

¶Классификация и характеристики

Атомы различают по нескольким признакам:

Атом может терять или присоединять электроны, превращаясь в положительный (катион) или отрицательный (анион) ион. Именно способность атомов отдавать и принимать электроны лежит в основе химических связей.

¶Энергия и взаимодействия

Электроны в атоме обладают дискретными уровнями энергии. Переход электрона с одного уровня на другой сопровождается поглощением или излучением фотона определённой частоты. Это явление лежит в основе спектрального анализа, позволяющего определять состав вещества по его спектру излучения.

Внутри ядра протоны и нейтроны удерживаются сильным ядерным взаимодействием, которое преодолевает электростатическое отталкивание одноимённо заряженных протонов. Энергия связи ядра определяет его устойчивость.

¶Значение и применение

Понимание строения атома стало основой многих областей науки и техники:

• Химия — объяснение периодического закона, валентности, химических связей.
• Ядерная энергетика — деление тяжёлых ядер (уран-235) и синтез лёгких (водород).
• Спектроскопия — определение состава звёзд, планет и веществ.
• Медицина — радиоизотопная диагностика и лучевая терапия.
• Материаловедение — создание полупроводников, сплавов, наноматериалов.

В России исследованиями атома и ядерной физики занимались такие учёные, как Игорь Курчатов, Яков Зельдович, Юлий Харитон, а также коллективы институтов Академии наук. Первая в мире атомная электростанция была запущена в 1954 году в Обнинске.

¶Интересные факты

• Если увеличить атом до размеров футбольного стадиона, ядро будет размером с горошину в его центре.
• Атомы на 99,9999999999996 % состоят из пустого пространства.
• В одном грамме водорода содержится около 6·10²³ атомов.
• Большая часть массы обычного вещества заключена в ядрах атомов, а не в электронах.

¶Современные представления

Современная физика описывает атом как квантово-механическую систему. Модель Бора, удобная для наглядности, уступила место вероятностному описанию электронных облаков. Дальнейшее развитие физики элементарных частиц показало, что сами протоны и нейтроны состоят из кварков, удерживаемых глюонами. Тем не менее понятие атома остаётся фундаментальным для химии, физики и естествознания в целом.

Источники: учебники по общей физике, курс химии для высшей школы, материалы по истории атомной физики, энциклопедические издания по естественным наукам.