ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ АТОМА Э. РЕЗЕРФОРДА
На протяжении более двух тысяч лет, начиная с древнегреческого мыслителя Демокрита, в естествознании господствовало убеждение, что атом является мельчайшей, абсолютно неделимой и неизменной частицей материи (само греческое слово atomos буквально переводится как «неделимый» или «нерассекаемый»). Однако блестящие открытия физики рубежа XIX и XX веков — явление радиоактивности (Антуан Беккерель, Пьер и Мария Кюри) и открытие электрона (Джозеф Джон Томсон) — доказали сложность внутренней структуры атома и его делимость на элементарные субатомные частицы.
В 1911 году выдающийся английский физик Эрнест Резерфорд, изучая рассеяние альфа-частиц при прохождении через тончайшую золотую фольгу, установил истинное пространственное строение атома и предложил его классическую планетарную модель:
- Ядро в центре атома:
В самом центре атома находится положительно заряженное ядро. В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более 99,97%). При этом само ядро имеет ничтожно малые размеры: его радиус примерно в 100 000 раз меньше радиуса всего атома. Чтобы наглядно представить это соотношение, достаточно вообразить обычный футбольный мяч, лежащий в центральном круге гигантского стотысячного спортивного стадиона: мяч — это атомное ядро, а трибуны стадиона — внешние границы электронной оболочки.
- Электронная оболочка вокруг ядра:
Вокруг крошечного положительного ядра по орбитам с колоссальной скоростью обращаются отрицательно заряженные электроны, совокупность которых формирует электронную оболочку атома.
- Электронейтральность атома:
В обычном (невозбужденном) состоянии любой атом в целом строго электронейтрален. Это объясняется тем, что суммарный отрицательный электрический заряд всех электронов оболочки в точности равен положительному заряду атомного ядра.
СУБАТОМНЫЕ ЧАСТИЦЫ: ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ И ЭЛЕКТРОНЫ
Атом состоит из трех типов фундаментальных элементарных частиц:
| Частица | Обозначение | Масса (кг) | Относительная масса | Электрический заряд | Где находится в атоме |
|---|---|---|---|---|---|
| Протон | ¹₁p | 1,67 · 10⁻²⁷ кг | 1 | +1 | В составе ядра |
| Нейтрон | ¹₀n | 1,67 · 10⁻²⁷ кг | 1 | 0 (нейтрален) | В составе ядра |
| Электрон | e⁻ | 9,11 · 10⁻³¹ кг | 1/1833 ≈ 0 | -1 | На электронной оболочке |
Протоны и нейтроны, образующие ядро атома, называют общим термином — нуклоны (от латинского слова nucleus — ядро). Масса электрона ничтожно мала по сравнению с массой нуклонов (электрон легче протона в 1833 раза), поэтому при расчетах массы атома массой электронов пренебрегают.
Если в химической реакции нейтральный атом теряет или присоединяет электроны, баланс зарядов нарушается: атом превращается в заряженную частицу — ион. При отдаче электронов образуется положительный катион (Na - e⁻ = Na⁺), а при присоединении электронов — отрицательный анион (Cl + e⁻ = Cl⁻).
СОВРЕМЕННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА
Открытие сложного строения атома позволило раскрыть глубокий физический смысл порядкового номера элемента в таблице Менделеева.
Число протонов в ядре атома строго равно порядковому номеру химического элемента (Z) в Периодической системе Д. И. Менделеева.
Порядковый номер водорода Z = 1, значит, в ядре атома водорода ровно 1 протон; у углерода Z = 6 — в ядре 6 протонов; у рутения Z = 44 — в ядре 44 протона; у золота Z = 79 — в ядре 79 протонов. Так как величина заряда протона принята за элементарную единицу (+1), заряд ядра любого атома численно в точности совпадает с его порядковым номером.
Именно величина положительного заряда ядра однозначно определяет химическую индивидуальность атома и характер его электронных оболочек. Поэтому научное сообщество сформулировало современное, фундаментальное определение:
Химический элемент — это совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (одинаковым числом протонов).
МАССОВОЕ ЧИСЛО И РАСЧЕТ ЧИСЛА ЧАСТИЦ В АТОМЕ
Помимо протонов в состав ядра входят незаряженные частицы — нейтроны, которые не меняют заряда ядра, но вносят решающий вклад в его общую массу. Число нейтронов в ядре принято обозначать латинской буквой N.
Суммарное количество протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называют массовым числом и обозначают буквой A:
A = Z + N
Зная массовое число атома и его порядковый номер в таблице Менделеева, число нейтронов в ядре легко вычисляется по формуле:
N = A - Z
В химической символике принята строгая международная форма записи нуклидов: массовое число указывают верхним индексом слева от химического знака, а порядковый номер (заряд ядра) — нижним индексом слева: ᴬ_Z X.
Примеры расчета состава атомных ядер:
- Натрий ²³₁₁Na: порядковый номер Z = 11 (в ядре 11 протонов, на оболочке 11 электронов); число нейтронов N = 23 - 11 = 12.
- Литий ⁷₃Li: Z = 3 (3 протона, 3 электрона); N = 7 - 3 = 4 нейтрона.
- Кислород ¹⁶₈O: Z = 8 (8 протонов, 8 электронов); N = 16 - 8 = 8 нейтронов.
- Фосфор ³¹₁₅P: Z = 15 (15 протонов, 15 электронов); N = 31 - 15 = 16 нейтронов.
- Золото ¹⁹⁷₇₉Au: Z = 79 (79 протонов, 79 электронов); N = 197 - 79 = 118 нейтронов.
ФИЗИЧЕСКАЯ ПРИРОДА ИЗОТОПОВ И ДРОБНЫЕ АТОМНЫЕ МАССЫ
Долгое время загадкой для ученых оставался вопрос: почему ядра одного и того же химического элемента могут обладать разной массой, и почему относительные атомные массы в таблице Менделеева почти всегда выражаются дробными числами? Ответ дало открытие изотопов.
Изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов Z), но разные массовые числа A (за счет различного числа нейтронов N в ядре).
Термин «изотопы» образован от греческих слов isos — равный, одинаковый и topos — место, поскольку все изотопы одного элемента занимают одну и ту же клетку в таблице Д. И. Менделеева.
Химические свойства изотопов одного элемента практически тождественны, так как они определяются зарядом ядра и строением электронной оболочки. В природе большинство химических элементов существует в виде устойчивой смеси нескольких природных изотопов.
Например, природный хлор состоит из двух стабильных изотопов:
- Хлор-35 (³⁵₁₇Cl): ядро содержит 17 протонов и 18 нейтронов (35 - 17 = 18). Его доля в земной коре составляет около 75% (0,75).
- Хлор-37 (³⁷₁₇Cl): ядро содержит 17 протонов и 20 нейтронов (37 - 17 = 20). Его природная доля составляет около 25% (0,25).
Относительная атомная масса элемента, приводимая в Периодической таблице, представляет собой среднее взвешенное значение масс всех его природных изотопов с учетом их процентной распространенности:
Ar(Cl) = (35 · 0,75) + (37 · 0,25) = 26,25 + 9,25 = 35,5
Разгадка аномалий в таблице Менделеева:
Открытие изотопов объяснило знаменитые кажущиеся противоречия в порядке расположения элементов. В паре аргон (Ar, порядковый номер 18) и калий (K, порядковый номер 19) атомная масса калия (39,1) меньше атомной массы аргона (39,95). Дело в том, что в природном аргоне резко преобладает тяжелый изотоп с 22 нейтронами — ⁴⁰₁₈Ar (Ar = 40), тогда как природный калий на 93% состоит из легкого изотопа с 20 нейтронами — ³⁹₁₉K (Ar = 39). Истинным фундаментальным критерием периодичности является заряд ядра (число протонов), а не атомный вес!
За современную единицу атомных масс принята 1/12 часть массы атома стабильного изотопа углерода-¹²C.
📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ
- Планетарная модель (Э. Резерфорд, 1911 г.): в центре атома — крошечное, массивное положительное ядро (r ядра в 100 000 раз меньше r атома); вокруг обращаются отрицательные электроны. Атом электронейтрален: заряд ядра равен общему заряду электронов.
- Состав атома:
- Протон (¹₁p): заряд +1, масса 1 а.е.м. (1,67 · 10⁻²⁷ кг). Число протонов = порядковый номер элемента Z.
- Нейтрон (¹₀n): заряд 0, масса 1 а.е.м. (1,67 · 10⁻²⁷ кг). Находится в ядре.
- Электрон (e⁻): заряд -1, масса 1/1833 а.е.м. (9,11 · 10⁻³¹ кг). Образует оболочку.
- Нуклоны: общее название частиц ядра (протоны + нейтроны).
- Химический элемент: совокупность атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (одинаковым числом протонов).
- Формулы расчета состава атома:
- Массовое число: A = Z + N (сумма протонов и нейтронов).
- Число нейтронов: N = A - Z.
- Запись нуклида: ᴬ_Z X (например, ²³₁₁Na имеет 11 протонов, 11 электронов и 23 - 11 = 12 нейтронов).
- Изотопы: разновидности атомов одного элемента с одинаковым числом протонов Z, но разным числом нейтронов N и разной массой A. Занимают одно место в таблице Менделеева.
- Причина дробных атомных масс: элементы в природе представлены смесью изотопов с разной распространенностью. Пример хлора: 75% ³⁵Cl + 25% ³⁷Cl дает среднюю массу Ar = 35,5.
- Парадокс калий–аргон: у ₁₈Ar преобладает тяжелый изотоп ⁴⁰Ar, а у ₁₉K — легкий ³⁹K. Расположение элементов определяется не массой, а зарядом ядра Z.