§ 31. Строение атома

ПОЧЕМУ АТОМ НЕ ЯВЛЯЕТСЯ НЕДЕЛИМЫМ

С глубокой древности и вплоть до конца XIX века в науке безраздельно господствовало представление о том, что атом — это предельно простая, неделимая и бесструктурная частица материи (само греческое слово «атомос» означает «неделимый»). Однако накопление экспериментальных данных поставило эту идею под сомнение.

Если тела состоят из нейтральных молекул и атомов, то чем объясняются силы притяжения и отталкивания между ними при деформации или тепловом расширении? Объяснить их силами всемирного тяготения невозможно: массы атомов слишком ничтожны, а гравитация не способна вызывать взаимное отталкивание. Значит, между частицами действуют силы иной природы, непосредственно связанные с их внутренним устройством.

Решающий удар по представлению о неделимости атома нанесло открытие электрона в 1897 году. Поскольку электроны обладают отрицательным зарядом и входят в состав любых атомов, а сами атомы и макроскопические тела в обычном состоянии строго электрически нейтральны, учёные неизбежно пришли к выводу: внутри атома обязательно должен находиться уравновешивающий положительный заряд.

ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ АТОМА ЭРНЕСТА РЕЗЕРФОРДА

В 1911 году выдающийся британский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) исследовал рассеяние быстрых положительно заряженных альфа-частиц при прохождении через тончайшую золотую фольгу. Опыт показал, что подавляющее большинство частиц пролетает фольгу насквозь без заметного отклонения, но единичные частицы резко отскакивают назад.

На основе этих фундаментальных измерений Резерфорд предложил планетарную (ядерную) модель строения атома:

• В самом центре атома находится микроскопическое, исключительно плотное положительно заряженное атомное ядро.
• В ядре сосредоточена практически вся масса атома (более 99,95%).
• Вокруг ядра по замкнутым орбитам с колоссальной скоростью обращаются отрицательно заряженные электроны, образуя электронную оболочку атома.
• Электроны удерживаются около ядра дальнодействующими силами кулоновского электрического притяжения.

Подобно тому как планеты Солнечной системы обращаются вокруг массивного Солнца благодаря гравитации, лёгкие электроны вращаются вокруг тяжёлого ядра благодаря электрическим силам. При этом атом практически «пуст»: диаметр электронных орбит в десятки тысяч раз превосходит диаметр самого ядра.

СТРОЕНИЕ АТОМНОГО ЯДРА: ПРОТОНЫ, НЕЙТРОНЫ И ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ

Последующие исследования показали, что само атомное ядро также имеет сложную внутреннюю структуру и состоит из двух типов элементарных частиц, объединяемых общим названием нуклоны (от латинского nucleus — ядро):

1. Протоны: положительно заряженные стабильные частицы, открытые Резерфордом в 1919 году при расщеплении ядер азота.
   • Заряд протона строго равен по модулю заряду электрона, но противоположен по знаку: $q_p = +1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл.
   • Масса протона составляет $1{,}673 \cdot 10^{-27}$ кг, что примерно в 1836 раз больше массы электрона.
2. Нейтроны: электрически нейтральные частицы (их заряд равен нулю: $q_n = 0$), открытые в 1932 году Джеймсом Чедвиком.
   • Масса нейтрона ($1{,}675 \cdot 10^{-27}$ кг) практически совпадает с массой протона (лишь на 0,14% тяжелее его).

Ядерные силы:

Одноимённо заряженные протоны внутри крошечного ядра испытывают мощнейшее взаимное электростатическое отталкивание. Почему же ядро не разлетается на части? Нуклоны связывают особые короткодействующие ядерные силы. На расстояниях порядка размеров ядра эти силы действуют как колоссальный клей: они примерно в 100 раз превосходят силу электрического отталкивания протонов, обеспечивая исключительную прочность ядер.

ЭЛЕКТРОНЕЙТРАЛЬНОСТЬ АТОМА И ОБРАЗОВАНИЕ ИОНОВ

В нормальном невозбуждённом состоянии число протонов в ядре атома строго равно числу электронов на его оболочке.

Так как модуль положительного заряда каждого протона в точности равен модулю отрицательного заряда электрона, суммарный заряд системы равен нулю. Именно поэтому изолированный атом электрически нейтрален.

Количество протонов в ядре (заряд ядра) определяет химическую природу атома и его порядковый номер в Периодической системе Д. И. Менделеева:

• У атома водорода — 1 протон в ядре и 1 электрон на орбите;
• У атома гелия — 2 протона, 2 нейтрона и 2 электрона;
• У атома лития — 3 протона, 4 нейтрона и 3 электрона.

Механизм образования ионов:

Ядро атома прочно связано ядерными силами, и число протонов при обычных физических процессах остаётся неизменным. Однако внешние электроны могут отрываться от атома или, наоборот, присоединяться к нему:

• Положительный ион (катион): образуется, если нейтральный атом теряет один или несколько электронов. Положительный заряд ядра начинает преобладать над отрицательным зарядом оставшихся электронов ($q > 0$).
• Отрицательный ион (анион): образуется, когда нейтральный атом захватывает лишние электроны. Суммарный отрицательный заряд электронов превышает заряд ядра ($q < 0$).

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИРОДА МЕЖМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИЛ

Знание строения атома полностью раскрывает тайну взаимодействия молекул. Взаимное притяжение и отталкивание атомов имеет исключительно электрическую природу:

• Когда атомы сближаются на расстояния, сопоставимые с 2–3 диаметрами атома, отрицательные электронные оболочки деформируются и притягиваются к положительным ядрам соседних атомов — преобладают силы притяжения.
• При дальнейшем сильном сжатии, когда электронные оболочки начинают перекрываться, одинаково заряженные электроны и ядра начинают испытывать мощное взаимное отталкивание — возникают преобладающие силы отталкивания.