Строение атома и химический элемент: от Томсона до энергии связи ядра

Всё вещество состоит из атомов, а атом — из ещё более мелких частиц. Строение атома объясняет, почему элементов именно столько, почему они расположены в периодической системе именно так и почему одни вещества реагируют друг с другом, а другие нет. Это фундамент всего курса химии, и к нему мы будем возвращаться в каждой следующей теме: химическая связь, степень окисления, окислительно-восстановительные реакции — всё опирается на строение атома.

Материал изложен в том порядке, в каком его удобно изучать: сначала — что такое атом и каковы его размеры; затем — как учёные шаг за шагом установили, что атом сложен; потом — строение ядра и смысл порядкового номера; далее — электронная оболочка; на этой основе — определение химического элемента, изотопов и ионов; после этого — как считать частицы в атомах, ионах и молекулах. В конце — типичные ошибки, раздел для олимпиад (закон Мозли, дефект массы и энергия связи) и задания с разбором.

• 1. Что такое атом
• 2. Как установили, что атом сложен
• 3. Атомное ядро
• 4. Порядковый номер и заряд ядра
• 5. Электронная оболочка
• 6. Химический элемент и изотопы
• 7. Ионы
• 8. Как считать частицы
• 9. Типичные ошибки
• 10. Для олимпиад
• Задания с разбором

1. Что такое атом

Атомы очень малы. Радиус атома — порядка 10⁻¹⁰ м (0,1 нанометра): например, у водорода 0,053 нм, у цезия около 0,27 нм. Масса атома — от 1,67·10⁻²⁷ кг (водород) до примерно 5·10⁻²⁵ кг (самые тяжёлые элементы). В капле воды около 10²¹ молекул воды.

Слово «атом» по-гречески означает «неделимый». Древнегреческие философы Левкипп и Демокрит считали атомы мельчайшими, неизменными частицами. Это представление продержалось до конца XIX века: в химических реакциях атомы действительно не делятся и не превращаются друг в друга. Но физика показала, что атом имеет внутреннее строение.

2. Как установили, что атом сложен

Электрон

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон изучал катодные лучи — поток, исходящий от отрицательного электрода в трубке с разрежённым газом. Лучи отклонялись электрическим и магнитным полями так, как отклонялись бы отрицательно заряженные частицы, и отношение заряда к массе у этих частиц было одинаковым при любом материале электродов и любом газе. Томсон сделал вывод: в состав всех атомов входят одинаковые отрицательно заряженные частицы, масса которых примерно в 1800 раз меньше массы атома водорода. Их назвали электронами. Раз атом электронейтрален, в нём должен быть и положительный заряд.

Радиоактивность

В 1896 году Анри Беккерель обнаружил, что соли урана сами по себе испускают излучение. Мария и Пьер Кюри нашли такие же свойства у тория, полония и радия. Оказалось, что излучение состоит из альфа-частиц (положительно заряженных, позже их отождествили с ядрами гелия), бета-частиц (электронов) и гамма-лучей. Раз атомы сами испускают частицы, они не неделимы.

Модель Томсона

Томсон предположил (1904), что положительный заряд равномерно распределён по всему объёму атома, а электроны вкраплены в него. Эту модель называют «пудингом с изюмом».

Опыт Резерфорда и открытие ядра

В 1909–1911 годах в лаборатории Эрнеста Резерфорда Ханс Гейгер и Эрнест Марсден направляли пучок альфа-частиц на тонкую золотую фольгу и наблюдали вспышки на экране, окружающем фольгу. Результаты:

• почти все альфа-частицы проходили сквозь фольгу без отклонения или с очень малым отклонением;
• малая часть отклонялась на большие углы;
• примерно одна частица из 8–10 тысяч отлетала назад.

Если бы положительный заряд был размазан по атому, как у Томсона, тяжёлая быстрая альфа-частица не могла бы отразиться назад. Резерфорд заключил (1911): весь положительный заряд и почти вся масса атома сосредоточены в очень малой области — ядре, размер которого в десятки тысяч раз меньше размера атома, а электроны находятся вокруг ядра. Так появилась планетарная модель атома.

Модель Бора

Планетарная модель противоречила классической физике: электрон, движущийся вокруг ядра, должен непрерывно излучать энергию и упасть на ядро за ничтожную долю секунды. Нильс Бор в 1913 году предположил, что электрон в атоме может находиться только в определённых стационарных состояниях с определённой энергией и в них не излучает; излучение или поглощение энергии происходит лишь при переходе из одного состояния в другое. Модель Бора объяснила спектр водорода, а её идея квантования энергии стала основой современной квантовой механики.

Современные представления

В квантовой механике (1925–1927, Гейзенберг, Шрёдингер) электрон не имеет определённой траектории. Его состояние описывают атомной орбиталью — областью пространства, где вероятность найти электрон наиболее велика. Об этом подробно — в статье «Энергетические уровни и электронные слои».

3. Атомное ядро

Ядро состоит из частиц двух видов — протонов и нейтронов; их общее название — нуклоны.

• Протон открыл Резерфорд в 1919 году, выбивая альфа-частицами ядра водорода из ядер азота. Протон — ядро атома протия (лёгкого водорода).
• Нейтрон открыл Джеймс Чедвик в 1932 году: при облучении бериллия альфа-частицами возникало проникающее излучение из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона.
• В том же 1932 году советский физик Дмитрий Иваненко и немецкий физик Вернер Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра.

Относительный заряд +1 означает заряд, равный по величине заряду электрона (1,602·10⁻¹⁹ Кл), но противоположный по знаку. Массы протона и нейтрона почти равны, а электрон легче протона в 1836 раз. Поэтому более 99,9 % массы атома сосредоточено в ядре.

Протоны в ядре отталкиваются друг от друга, но ядро не разлетается: нуклоны удерживают ядерные силы — очень сильное притяжение, действующее лишь на расстояниях порядка размера ядра (10⁻¹⁵ м). Нейтроны участвуют в ядерном притяжении, но не в электрическом отталкивании, и поэтому «скрепляют» ядро.

Радиус ядра — 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м, в 10–100 тысяч раз меньше радиуса атома. Плотность ядерного вещества огромна — около 2·10¹⁷ кг/м³.

4. Порядковый номер и заряд ядра

Состав ядра описывают два числа.

• Заряд ядра Z (в единицах элементарного заряда) равен числу протонов. Он совпадает с порядковым номером элемента в периодической системе.
• Массовое число A — общее число нуклонов в ядре: A = Z + N, где N — число нейтронов. Массовое число — целое число, а не масса; оно лишь близко к относительной массе атома, выраженной в атомных единицах массы.

Отсюда число нейтронов N = A − Z. Состав атома записывают символом элемента с массовым числом вверху слева и зарядом ядра внизу слева:

2311Na: Z = 11, A = 23, N = 12;   5626Fe: Z = 26, A = 56, N = 30.

То, что порядковый номер равен заряду ядра, — не определение, а открытие. Менделеев располагал элементы в порядке возрастания атомной массы (с несколькими сознательными перестановками), и физический смысл порядкового номера был неизвестен. В 1913 году английский физик Генри Мозли измерил рентгеновские спектры многих элементов и обнаружил, что частота характеристического излучения закономерно растёт с порядковым номером: квадратный корень из частоты линейно зависит от Z. Так было доказано, что порядковый номер — это заряд ядра, и периодический закон получил современную формулировку: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов.

5. Электронная оболочка

Совокупность электронов атома называют его электронной оболочкой. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, то есть заряду ядра. Электроны располагаются вокруг ядра электронными слоями: у натрия три слоя — 2, 8 и 1 электрон. Число электронных слоёв равно номеру периода, а у элементов главных подгрупп число электронов во внешнем электронном слое равно номеру группы.

Именно электронная оболочка, и прежде всего её внешний электронный слой, определяет химические свойства элемента: в химических реакциях ядра атомов не изменяются, а перестраиваются электронные оболочки. Подробное строение электронной оболочки — подуровни, орбитали, правила заполнения — разобрано в статье «Энергетические уровни и электронные слои».

6. Химический элемент и изотопы

Заряд ядра однозначно определяет число электронов в нейтральном атоме, а значит, строение электронной оболочки и химические свойства. Поэтому принадлежность атома к элементу определяет именно заряд ядра, а не масса.

Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов. Такие атомы называют изотопами. У хлора два природных изотопа: 3517Cl (18 нейтронов, около 76 % атомов) и 3717Cl (20 нейтронов, около 24 %). Электронные оболочки изотопов одинаковы, поэтому их химические свойства практически одинаковы (заметно различаются лишь изотопы водорода, у которых массы различаются вдвое и втрое). Подробно — в статье «Нуклиды и изотопы».

Атомы разных элементов с одинаковым массовым числом называют изобарами: 4018Ar, 4019K, 4020Ca. Изобары — разные элементы с разными свойствами.

7. Ионы

При образовании иона изменяется только электронная оболочка; ядро, а значит, и принадлежность к элементу, остаётся прежним. Атом натрия, отдав один электрон, превращается в катион Na⁺: 11 протонов и 10 электронов. Атом хлора, приняв электрон, — в анион Cl⁻: 17 протонов и 18 электронов.

Ионы бывают и многоатомными: SO₄²⁻, NH₄⁺, OH⁻. Их заряд — это разность между общим числом протонов и общим числом электронов всех атомов.

Частицы с одинаковым числом электронов называют изоэлектронными: атом неона, ионы Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺, F⁻, O²⁻ и даже молекулы H₂O, NH₃, CH₄ содержат по 10 электронов.

8. Как считать частицы

Повторить тему можно в уроке ОГЭ «Атомы, молекулы, элементы» и в уроке ЕГЭ «Атом, ядро, изотопы, ионы».

9. Типичные ошибки

10. Для олимпиад

Закон Мозли

Мозли установил, что для характеристических рентгеновских линий √ν = a(Z − b), где a и b — постоянные для данной серии линий. Измерив частоту линии, можно найти Z неизвестного элемента. Так были обнаружены «пропуски» в таблице: элементы с Z = 43, 61, 72, 75 тогда ещё не были известны (технеций, прометий, гафний, рений).

Дефект массы и энергия связи

Масса ядра всегда меньше суммы масс составляющих его протонов и нейтронов. Разность Δm называют дефектом массы. При образовании ядра из нуклонов выделяется энергия связи E = Δm·c². Для расчётов удобно соотношение 1 а. е. м. ≈ 931,5 МэВ.

Пример — ядро гелия-4: 2·1,00728 + 2·1,00866 = 4,03188 а. е. м., масса ядра 4,00151 а. е. м., Δm = 0,03037 а. е. м., E ≈ 28,3 МэВ, около 7,1 МэВ на нуклон. Это в миллионы раз больше энергии химических связей (единицы электронвольт). Энергия связи на нуклон наибольшая у ядер железа и никеля (около 8,8 МэВ), поэтому энергия выделяется и при делении тяжёлых ядер, и при синтезе лёгких.

Из чего состоят нуклоны

Протон и нейтрон — не элементарные частицы: каждый состоит из трёх кварков (протон — uud, нейтрон — udd; заряд u-кварка +2/3, d-кварка −1/3). Электрон, по современным данным, элементарен.

Задания с разбором

Сначала ответьте сами, затем откройте разбор.

Задание 1

Сколько протонов, нейтронов и электронов в атоме 3919K и в ионе 3919K⁺?

Задание 2

Выберите две частицы, содержащие одинаковое число электронов: 1) Na⁺; 2) K⁺; 3) F⁻; 4) Br⁻; 5) Li⁺.

Задание 3

Ядро атома содержит 26 протонов и 30 нейтронов. Какой это элемент? Запишите обозначение нуклида. Сколько электронов в ионе этого элемента с зарядом +3?

Задание 4

Чем различаются и что общего у атомов 126C и 146C? Почему это атомы одного элемента?

Задание 5

Сколько протонов и электронов в ионе SO₄²⁻ и в молекуле CO₂?

Задание 6

Объясните, какие выводы о строении атома следуют из того, что в опыте Резерфорда (а) почти все альфа-частицы прошли сквозь фольгу; (б) единицы из тысяч отразились назад.

Задание 7

Укажите частицу, содержащую 18 электронов, 20 нейтронов и имеющую заряд +2.

Задание 8

Какие из частиц изоэлектронны атому аргона: K⁺, Na⁺, Cl⁻, S²⁻, O²⁻, Ca²⁺?

Задание 9

Почему Менделеев поставил калий (атомная масса 39,1) после аргона (39,9), нарушив порядок возрастания масс? Чем это объясняется сегодня?

Задание 10 (олимпиадное)

Масса протона 1,00728 а. е. м., нейтрона 1,00866 а. е. м., ядра лития-7 7,01436 а. е. м. Рассчитайте дефект массы, энергию связи ядра (МэВ) и энергию связи на нуклон (1 а. е. м. = 931,5 МэВ). Сравните с гелием-4 (7,1 МэВ на нуклон).

Задание 11 (олимпиадное)

Оцените плотность ядерного вещества, если радиус ядра r = 1,2·10⁻¹⁵·A^(1/3) м, а масса нуклона 1,67·10⁻²⁷ кг. Зависит ли она от массового числа?

Задание 12 (олимпиадное)

Покажите, что заряды протона и нейтрона получаются из зарядов кварков (u: +2/3, d: −1/3). Из каких кварков должна состоять частица с зарядом +2, если она состоит из трёх u- или d-кварков?