Состав атома. Изотопы

В теме 2.1 остался открытым главный вопрос: почему свойства элементов периодически повторяются? Менделеев этого не знал, ведь в его время атом считали неделимым шариком. Ответ появился, когда учёные заглянули внутрь атома.

Как было открыто строение атома

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон открыл электрон — частицу с отрицательным зарядом, которая во много раз легче самого лёгкого атома. Стало ясно, что атом не неделим и что в нём, кроме электронов, должен быть положительный заряд. Томсон представлял атом как положительно заряженный шар, в который вкраплены электроны, словно изюм в булку.

В 1911 году ученик Томсона Эрнест Резерфорд проверил эту модель. Он направил поток положительно заряженных альфа-частиц на тончайшую золотую фольгу. Почти все частицы пролетели насквозь, но некоторые резко отклонились, а единицы отскочили назад. Резерфорд говорил, что это было так же невероятно, как если бы артиллерийский снаряд отскочил от листа папиросной бумаги. Объяснение было одно: почти весь атом — пустота, а весь его положительный заряд и почти вся масса сосредоточены в крошечном ядре.

Ядро и электроны

В центре атома находится ядро атома, а вокруг него движутся электроны. Ядро в десятки тысяч раз меньше самого атома. Если увеличить атом до размеров стадиона, ядро окажется величиной с горошину в центре поля. Ядро построено из двух видов частиц. Протон несёт заряд +1 и имеет массу, примерно равную 1 а. е. м. Нейтрон электрически нейтрален, а его масса почти такая же, как у протона. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.

Электрон несёт заряд −1, а его масса почти в 2000 раз меньше массы протона, поэтому при подсчёте массы атома электроны не учитывают. Атом в целом электронейтрален: число электронов в нём равно числу протонов в ядре. А число протонов равно порядковому номеру элемента \(Z\).

Массовое число

Масса атома складывается почти целиком из масс протонов и нейтронов. Сумму числа протонов \(Z\) и числа нейтронов \(N\) называют массовым числом \(A\):

\[ A = Z + N, \qquad N = A - Z. \]

Массовое число записывают слева вверху от знака элемента, а заряд ядра — слева внизу: \(\ce{^{23}_{11}Na}\). В этом атоме натрия 11 протонов, \(23 - 11 = 12\) нейтронов и 11 электронов. Массовое число всегда целое и близко к относительной атомной массе.

Изотопы

У атомов одного элемента число протонов всегда одно и то же, а вот число нейтронов может быть разным. Изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента с одинаковым зарядом ядра, но разным массовым числом. Слово происходит от греческих «изос» — одинаковый и «топос» — место: изотопы занимают одну клетку Периодической системы.

У хлора два природных изотопа: \(\ce{^{35}Cl}\) (около трёх четвертей всех атомов) и \(\ce{^{37}Cl}\) (около одной четверти). Поэтому средняя относительная атомная масса хлора равна 35,5, а не целому числу (тема 1.4). У водорода три изотопа, и только у них есть собственные названия: протий \(\ce{^1H}\), дейтерий \(\ce{^2H}\) и радиоактивный тритий \(\ce{^3H}\). Химические свойства изотопов практически одинаковы, потому что они зависят от числа электронов, а оно у изотопов одно и то же.