Что такое атом? Строение, примеры и модели атома

Из чего состоит атом?

Из трёх видов частиц. Две находятся в ядре, третья движется вокруг него.

Самое поразительное число в таблице — масса электрона: протон тяжелее его примерно в 1836 раз. Поэтому на практике массу атома считают по одному лишь ядру: вклад электронов меньше одной тысячной.

Баланс зарядов столь же прост. В нейтральном атоме число протонов равно числу электронов, плюс и минус компенсируют друг друга, и снаружи атом выглядит незаряженным. Стоит ему отдать или принять электрон — равновесие нарушается, и атом становится ионом.

Ядро

Ядро открыл в 1911 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд. В нём сосредоточена почти вся масса атома, хотя объём его ничтожен: диаметр ядра — от примерно 1,7 фемтометра (водород) до 15 фемтометров (уран), то есть в десять–сто тысяч раз меньше самого атома.

Классическое сравнение помогает это представить: увеличьте атом до размеров футбольного стадиона — ядро будет горошиной на центральной точке поля. Всё остальное пространство пусто, там лишь электроны. Значит, любой твёрдый предмет по объёму почти полностью пуст; рука не проходит сквозь стол не потому, что там «сплошное вещество», а потому, что электронные облака отталкиваются.

Почему же ядро не разлетается, ведь одноимённо заряженные протоны отталкиваются? Благодаря сильному ядерному взаимодействию: на сверхмалых расстояниях оно значительно сильнее электрического отталкивания, но его радиус действия сопоставим с размером самого ядра. Чем крупнее ядро, тем больше преимущества у отталкивания — именно поэтому тяжёлые элементы нестабильны и радиоактивны.

Протоны

Протоны — положительно заряженные частицы ядра, они несут «удостоверение личности» атома. Их количество — это зарядовое число (Z), и оно никогда не меняется: любой атом с 6 протонами — углерод, любой атом с 79 протонами — золото. Добавьте один протон, и перед вами уже другой элемент.

Ровно на этом построена периодическая таблица: элементы расположены по возрастанию числа протонов. Английский физик Генри Мозли доказал это в 1913 году рентгеновскими измерениями, после чего порядок стали определять не атомной массой, а зарядовым числом.

Нейтроны

Нейтроны — незаряженные частицы ядра. Их существование предсказал Резерфорд в 1920 году, а экспериментально обнаружил его ученик Джеймс Чедвик в 1932-м, обстреливая бериллий альфа-частицами.

Нейтроны не меняют элемент, но меняют его массу и устойчивость. Разновидности одного элемента с разным числом нейтронов называются изотопами. Когда соотношение нейтронов и протонов выходит за узкую полосу устойчивости, ядро начинает распадаться. Известное исключение из правила, что в ядре есть нейтроны, — обычный водород: его ядро состоит из одного протона.

Электроны

Электроны отрицательно заряжены и чрезвычайно легки. Дж. Дж. Томсон открыл их в 1897 году с помощью катодных трубок — это было первое доказательство того, что атом вообще делим.

Их расположение не имеет ничего общего с «маленькой солнечной системой» из старых учебников. По квантовой механике нельзя одновременно точно знать координату и импульс электрона; известна лишь вероятность обнаружить его в той или иной области. Эти карты вероятности называются орбиталями, а все вместе — электронным облаком. Именно расположение внешних электронов в этом облаке определяет всю химию атома: с чем он свяжется и будет ли вещество проводником или изолятором.

Зарядовое число, массовое число и число нейтронов

Три числа полностью описывают атом:

• Зарядовое число (Z) = число протонов. Задаёт элемент.
• Массовое число (A) = протоны + нейтроны, то есть все нуклоны.
• Число нейтронов (N) = A − Z.

Запись выглядит как ^AX_Z или, в обиходе, «углерод-14». Здесь 14 — массовое число; поскольку зарядовое число углерода равно 6, нейтронов в нём 14 − 6 = 8.

Разбор примера. Для натрия-23: Z = 11, A = 23, значит N = 23 − 11 = 12. Если атом нейтрален, электронов у него тоже 11. Отдав один электрон и став ионом Na⁺, он сохраняет 11 протонов, электронов становится 10, а массовое число не меняется — электрон для этого слишком лёгок.

Как располагаются электроны

Электроны размещаются не как попало: они по порядку заполняют энергетические уровни (оболочки). Максимальное число на каждом уровне даёт правило 2n²:

• 1-й уровень: 2 электрона
• 2-й уровень: 8 электронов
• 3-й уровень: 18 электронов
• 4-й уровень: 32 электрона

Электроны внешнего уровня называются валентными, и почти вся химия — это рассказ про них. Атомы ведут себя так, чтобы достроить внешний уровень до восьми электронов (до двух — для первого уровня); это правило октета.

У натрия на внешнем уровне один электрон, и ему выгоднее его отдать. У хлора там семь, и ему выгоднее один принять. При встрече натрий отдаёт свой электрон хлору — получается поваренная соль. У благородных газов вроде неона внешний уровень уже заполнен, поэтому они ни с чем не реагируют.

Примеры атомов

Самые востребованные примеры вместе с наиболее распространённым изотопом:

Самый простой и распространённый атом во Вселенной — водород: один протон, один электрон, ни одного нейтрона. По массе Вселенная примерно на 74 % состоит из водорода и на 24 % из гелия; на все остальные элементы приходится около 2 %. Гелий — второй по распространённости в космосе, но редкий на Земле: он настолько лёгок, что улетучивается из атмосферы.

Чтобы почувствовать масштаб

В стакане воды порядка 10²⁵ атомов. Тело взрослого человека состоит примерно из 7 × 10²⁷ атомов. В точке, поставленной карандашом, миллиарды атомов углерода. Чтобы работать с такими числами, химики используют моль: 1 моль = 6,022 × 10²³ частиц (постоянная Авогадро).

Атом, молекула, элемент, соединение

Различить эти четыре слова — значит наполовину ответить на запрос «примеры атомов»:

• Атом: одна частица. Пример: атом кислорода (O).
• Молекула: два или больше связанных атомов. Пример: кислород, которым мы дышим, — это на самом деле O₂.
• Элемент: чистое вещество из атомов одного вида. Пример: золото, медь, железо.
• Соединение: разные элементы в постоянном соотношении. Пример: вода (H₂O), соль (NaCl).

Значит, вода — не атом, а молекула из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Воздух тоже не атом, а смесь молекул азота и кислорода.

Виды атомов: изотопы, изотоны, изобары, ионы

Под «видами атомов» обычно понимают эти четыре классификации, и все они задаются теми же тремя числами (Z, N, A):

• Изотопы
  Протонов поровну, нейтронов — по-разному. Это один элемент, химия почти идентична, отличается только масса. Пример: углерод-12, углерод-13, углерод-14.
• Изотоны
  Нейтронов поровну, протонов — по-разному. Это разные элементы. Пример: углерод-13 и азот-14, в обоих по 7 нейтронов.
• Изобары
  Массовое число совпадает, протонов — по-разному. Тоже разные элементы. Пример: аргон-40 и кальций-40.
• Ионы
  Число электронов больше не равно числу протонов. Отдав электроны, атом становится положительным (катион, Na⁺); приняв их — отрицательным (анион, Cl⁻).

Изотопы работают в повседневной жизни гораздо больше, чем принято думать. Период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет — на этом построен радиоуглеродный анализ. В медицинской визуализации применяют радиоактивные индикаторы. А атомным станциям нужен уран-235, доля которого в природном уране всего 0,7 %; повышение этой доли и называется обогащением.

Нестабильные атомы и радиоактивность

Не всякое ядро существует вечно. Если соотношение нейтронов и протонов выходит за пределы полосы устойчивости, ядро рано или поздно испускает частицу или энергию и превращается в другое. Это радиоактивный распад, и у него три основные формы: альфа (вылетает ядро гелия), бета (нейтрон превращается в протон с испусканием электрона) и гамма (излучение чистой энергии).

Скорость измеряют периодом полураспада — временем, за которое распадается половина атомов образца. Разброс огромен: 5730 лет у углерода-14, 4,47 миллиарда лет у урана-238 и миллионные доли секунды у некоторых искусственных элементов.

Расщепление тяжёлого ядра называется делением, слияние лёгких — синтезом. АЭС работают на делении; Солнце обогревает Солнечную систему, каждую секунду превращая сотни миллионов тонн водорода в гелий. В обоих случаях источник энергии один и тот же: продукты весят чуть меньше исходных ядер, и недостающая масса переходит в энергию по формуле E = mc².

Как атомы соединяются

Ничто вокруг нас не состоит из одиночных атомов. Есть три основных способа связи.

• Ионная связь: электрон полностью переходит от одного атома к другому, и противоположно заряженные ионы притягиваются. Классический пример — поваренная соль: отсюда высокая температура плавления и проводимость раствора.
• Ковалентная связь: атомы делят электроны между собой. Так устроены вода, углекислый газ и все органические молекулы.
• Металлическая связь: атомы металла отдают валентные электроны в общее «море». Отсюда проводимость, ковкость и блеск металлов.

Модели атома: как складывалось представление

Атом не открыл кто-то один: это цепочка уточнений длиной в две тысячи лет.

• ок. 440 до н. э. · Демокрит
  Утверждал, что бесконечное деление должно упереться в нечто неделимое, и назвал это atomos. Чистое рассуждение без опыта. Победила аристотелевская картина четырёх стихий, и идея пролежала без движения около 2000 лет.
• 1803 · Джон Дальтон
  Первая научная атомная теория, опирающаяся на химические измерения: у каждого элемента атомы своей массы, соединения образуются в постоянных отношениях. Слабое место: атом представлялся сплошным неделимым шариком.
• 1897 · Дж. Дж. Томсон
  Открыл электрон в катодной трубке — стало ясно, что у атома есть составные части. В 1904 году предложил модель «пудинга с изюмом»: электроны в положительном «тесте». Слабое место: ядра в ней не было.
• 1909-1911 · Эрнест Резерфорд
  В опыте с золотой фольгой ничтожная часть альфа-частиц отскочила назад: это доказало существование плотного положительного ядра и то, что атом почти пуст. Слабое место: по классической физике вращающийся электрон должен был излучать энергию и упасть на ядро.
• 1913 · Нильс Бор
  Предположил, что электроны занимают только определённые энергетические уровни и при переходе поглощают или испускают энергию. Впервые объяснил линейчатый спектр водорода. Слабое место: для более сложных атомов модель не работала.
• 1926 · Эрвин Шрёдингер
  Его волновое уравнение дало квантовую модель (электронное облако): у электрона нет определённой орбиты, есть распределение вероятности. Вместе с принципом неопределённости Гейзенберга (1927) это и есть современная модель.
• 1932 · Джеймс Чедвик
  Экспериментально обнаружил нейтрон, объяснив и «лишнюю» массу ядра, и существование изотопов.
• 1964-1969 · Кварковая модель
  Марри Гелл-Ман и Джордж Цвейг предсказали кварки; опыты по рассеянию в SLAC подтвердили точечные структуры внутри протона. Протон — это два верхних кварка и один нижний, нейтрон — один верхний и два нижних.

Можно ли увидеть атом?

Длина волны видимого света — 400-700 нанометров, в тысячи раз больше атома, поэтому в оптический микроскоп его увидеть физически невозможно. Но есть другие пути:

• 1955 — полевой ионный микроскоп Эрвина Мюллера дал первые изображения отдельных атомов.
• 1981 — Герд Бинниг и Генрих Рорер создали сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), позволяющий картировать атомы поверхности поодиночке. В 1986 году им присудили Нобелевскую премию по физике.
• 1989 — исследователи IBM передвинули 35 атомов ксенона и выложили логотип компании, показав, что атомы можно не только видеть, но и перемещать.

Ни одно из этих изображений не является фотографией в обычном смысле: это карты тока или силы между поверхностью и тончайшим остриём.

Откуда взялись атомы

Первые атомы образовались примерно через 380 000 лет после Большого взрыва. До этого Вселенная была слишком горячей, чтобы ядра удерживали электроны; когда она достаточно остыла, ядра захватили электроны и появились первые нейтральные атомы — почти исключительно водород и гелий.

Более тяжёлые элементы изготовлены внутри звёзд, которые превращают водород в гелий, а затем, шаг за шагом, в углерод, кислород и далее вплоть до железа. Большая часть того, что тяжелее железа, родилась при взрывах сверхновых и столкновениях нейтронных звёзд и была рассеяна в пространстве. Кальций в костях, железо в крови и золото на пальце пришли от звёзд, погибших миллиарды лет назад.

Четыре распространённых заблуждения

1. «Атом неделим». Так говорит его название, но это неверно: с 1897 года известно, что атом можно разбить. Точная формулировка — он не делится химическими способами.
2. «Электроны вращаются вокруг ядра, как планеты». Это модель Бора 1913 года, давно устаревшая. У электрона нет орбиты, есть вероятность нахождения.
3. «Атом — самое маленькое во Вселенной». Протоны и нейтроны состоят из кварков; по нынешним данным именно кварки и электроны элементарны.
4. «Твёрдые тела сплошные». По объёму они почти пусты. Твёрдость создаёт отталкивание электронных облаков.

Частые вопросы

Что такое атом простыми словами? Это наименьшая частица, сохраняющая химические свойства элемента: ядро из протонов и нейтронов, окружённое электронами.

Из чего состоит атом? Из трёх частиц: положительных протонов, незаряженных нейтронов и отрицательных электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро, электроны — облако вокруг него.

Кто открыл атом? Идею высказал Демокрит около 440 года до н. э., а научной теорией её сделал Джон Дальтон в 1803 году. Внутреннее строение раскрыли Томсон (1897), Резерфорд (1911) и Чедвик (1932).

Какие бывают виды атомов? Одинаковое число протонов при разном числе нейтронов — изотопы; одинаковое число нейтронов — изотоны; одинаковое массовое число — изобары. Если число электронов не равно числу протонов, это ион.

Что показывает зарядовое число? Число протонов в ядре, то есть принадлежность к элементу. В нейтральном атоме оно равно и числу электронов.

Как найти массовое число? Сложить протоны и нейтроны. И наоборот: число нейтронов — это массовое число минус зарядовое.

Какой атом самый маленький? Водород. Его ядро — один протон, а в самом распространённом изотопе нет ни одного нейтрона.

Атом внутри пустой? По объёму — да. Более 99,9 % массы сосредоточено в ядре, занимающем ничтожную долю объёма атома.

Вода — это атом? Нет. Вода — молекула из двух атомов водорода, связанных ковалентно с одним атомом кислорода.

Можно ли увидеть атом в микроскоп? В оптический — нет: длина волны света в тысячи раз больше. Сканирующий туннельный микроскоп позволяет составить карту расположения атомов.

Сколько всего элементов? В периодической таблице определено 118 элементов; 94 из них встречаются в природе, остальные получены только в лаборатории.

Почему почти вся масса в ядре? Потому что протон и нейтрон примерно в 1836 раз тяжелее электрона: все электроны вместе дают заметно меньше тысячной доли массы атома.

Источники

1. Britannica — Атом: строение, история и свойства
2. Jefferson Lab — Сравнение масс субатомных частиц
3. Лос-Аламосская национальная лаборатория — Периодическая таблица и электронные конфигурации
4. Chemistry LibreTexts — Атомная теория и строение атома
5. CERN — Стандартная модель и элементарные частицы
6. Nobel Prize — Нобелевская премия по физике 1986 года: сканирующий туннельный микроскоп