Эл строение атома. Почему ядро атома не распадается? Основное и возбужденное состояния атома

Как известно, все материальное во Вселенной состоит из атомов. Атом – это мельчайшая единица материи, которая несет в себе ее свойства. В свою очередь, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов.

При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.

Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития - из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.

Структура атомов (слева направо): водорода, гелия, лития

Атомы соединяются в молекулы, а молекулы - в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.

Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атомной системы. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.

Схематические изображения строения атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, само ядро настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% - из самих физических форм.

Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.

Из чего состоит электрон

Самая маленькая частица атома – электрон. Электрон обладает массой, но при этом не обладает объемом. В научном представлении электрон не из чего не состоит, а представляет собой бесструктурную точку.

Под микроскопом электрон невозможно увидеть. Он наблюдаем только в виде электронного облака, которое выглядит как размытая сфера вокруг атомного ядра. При этом с точностью, где находится электрон в момент времени, невозможно сказать. Приборы же способны запечатлеть не саму частицу, а только лишь ее энергетический след. Суть электрона не вкладывается в представления о материи. Он скорее подобен некой пустой форме, существующей только в движении и за счет движения.

Никакой структуры в электроне до сих пор не было обнаружено. Он является такой же точечной частицей, как и квант энергии. Фактически, электрон - и есть энергия, однако, это более устойчивая ее форма, нежели та, которая представлена фотонами света.

В настоящий момент электрон считают неделимым. Это понятно, ведь невозможно разделить то, что не имеет объема. Однако в теории уже есть наработки, согласно которым в составе электрона лежит триединство таких квазичастиц как:

• Орбитон – содержит информацию об орбитальном положении электрона;
• Спинон – ответственен за спин или вращательный момент;
• Холон – несет информацию о заряде электрона.

Впрочем, как видим, квазичастицы с материей уже не имеют абсолютно ничего общего, и несут в себе одну только информацию.

Фотографии атомов разных веществ в электронный микроскоп

Интересно, что электрон может поглощать кванты энергии, например, света или тепла. В этом случае атом переходит на новый энергетический уровень, а границы электронного облака расширяются. Бывает и такое, что энергия, поглощаемая электроном настолько велика, что он может выскочить из системы атома, и далее продолжить свое движение как независимая частица. При этом он ведет себя подобно фотону света, то есть, он будто бы перестает быть частицей и начинает проявлять свойства волны. Это было доказано в эксперименте.

Эксперимент Юнга

В ходе эксперимента на экран с двумя прорезанными в нем щелями был направлен поток электронов. Проходя через эти прорези, электроны сталкивались с поверхностью еще одного – проекционного – экрана, оставляя на нем свой след. В результате такой «бомбардировки» электронами на проекционном экране появлялась интерференционная картина, подобная той, которая появилась бы, если бы через две прорези проходили бы волны, но не частицы.

Такой рисунок возникает из-за того, что волна, проходя между двух щелей, делится на две волны. В результате дальнейшего движения волны накладываются друг на друга, и на некоторых участках происходит их взаимное гашение. В результате мы получаем много полос на проекционном экране, вместо одной, как это было бы, если бы электрон вел себя как частица.

Структура ядра атома: протоны и нейтроны

Протоны и нейтроны составляют ядро атома. И притом, что в общем объеме ядро занимает менее 1%, именно в этой структуре сосредоточена почти вся масса системы. А вот на счет структуры протонов и нейтронов физики разделились во мнениях, и на данный момент существует сразу две теории.

• Теория №1 - Стандартная

Стандартная модель говорит о том, что протоны и нейтроны состоят из трех кварков, соединенных между собой облаком глюонов. Кварки являются точечными частицами, так же, как кванты и электроны. А глюоны – это виртуальные частицы, обеспечивающие взаимодействие кварков. Однако в природе так и не было найдено ни кварков, ни глюонов, потому эта модель поддается жестокой критике.

• Теория №2 - Альтернативная

А вот по альтернативной теории единого поля, разработанной Эйнштейном, протон, как и нейтрон, как и любой другая частица физического мира, представляет собой вращающееся со скоростью света электромагнитное поле.

Электромагнитные поля человека и планеты

Каковы же принципы строения атома?

Все в мире – тонкое и плотное, жидкое, твердое и газообразное – это лишь энергетические состояния бесчисленных полей, пронизывающих пространство Вселенной. Чем выше уровень энергии в поле, тем оно тоньше и менее уловимо. Чем ниже энергетический уровень, тем оно более устойчивое и ощутимое. В структуре атома, как и в структуре любой другой единицы Вселенной, лежит взаимодействие таких полей – разных по энергетической плотности. Выходит, а материя – только иллюзия ума.

Атом - это электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Строение атомных ядер

Ядра атомов состоят из элементарных частиц двух видов: протонов (p ) и нейтронов (n ). Сумма протонов и нейтронов в ядре одного атома называется нуклонним числом :
,
где А - нуклонне число, N - число нейтронов, Z - число протонов.
Протоны имеют положительный заряд (+1), нейтроны заряда не имеют (0), электроны имеют отрицательный заряд (-1). Массы протона и нейтрона примерно одинаковы, их принимают равными 1. Масса электрона намного меньше чем масса протона, поэтому в химии ею пренебрегают, считая, что вся масса атома сосредоточена в его ядре.
Число положительно заряженных протонов в ядре равно числу отрицательно заряженных электронов, то атом в целом електронейтральний .
Атомы с одинаковым зарядом ядра составляют химический элемент .
Атомы различных элементов называются нуклидами .
Изотопы - атомы одного и того же элемента, имеющие разное нуклонне число вследствие разного количества нейтронов в ядре.
Изотопы Водорода

Название	A	Z	N
Протий Н	1	1	0
Дейтерий D	2	1	1
Тритий T	3	1	2

Радиоактивный распад

Ядра нуклидов могут распадаться с образованием ядер других элементов, а также , или других частиц.
Спонтанный распад атомов некоторых элементов называется радіоактивніст ю, а такие вещества - радиоактивным и. Радиоактивность сопровождается испусканием элементарных частиц и электромагнитных волн - излучение г.
Уравнение ядерного распада - ядерные реакции - записываются следующим образом:

Время, за которое распаду подвергается половина атомов данного нуклида, называется периодом полураспада .
Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивным ы. Это элементы 61 и 84-107.

Виды радиоактивного распада

1) -розпа д. Излучаются -частицы, т.е. ядра атома Гелия . При этом нуклонне число изотопа уменьшается на 4, а заряд ядра-на 2 единицы, например:

2) -розпа д.В неустойчивом ядре нейтрон превращается в протон, при этом ядро испускает электроны и антинейтрино. Во время -распада нуклонне число не изменяется, а заряд ядра увеличивается на 1, например:

3) -розпа д. Возбужденное ядро испускает лучи с очень малой длиной волны, при этом энергия ядра уменьшается, нуклонне число и заряд ядра не изменяются, например:

Строение электронных оболочек атомов элементов первых трех периодов

Электрон имеет двойственную природу: он может вести себя и как частица, и как волна. Электрон в атоме не движется по определенным траекториям, а может находиться в любой части вокруг ядерного пространства, однако вероятность его нахождения в разных частях этого пространства неодинакова. Пространство вокруг ядра, в котором вероятно нахождение электрона, называется орбіталл ю.
Каждый электрон в атоме находится на определенном расстоянии от ядра согласно запаса его энергии. Электроны с более-менее одинаковой энергией формируют энергетические рівн и, или электронные слой и.
Число заполненных электронами энергетических уровней в атоме данного элемента равно номеру периода, в котором он расположен.
Число электронов на внешнем энергетическом уровне равно номеру группы, в которой расположен данный элемент.
В пределах одного энергетического уровня электроны могут отличаться формой электронной облаков и, или орбитал и. Существуют такие формы орбиталей:
s -форма:
p -форма:
Существуют также d -, f -орбитали и другие, с более сложной формой.
Электроны с одинаковой формой электронного облака образуют одноименные энергетические підрівн и:s -, p -, d -, f -подуровни.
Количество подуровней на каждом энергетическом уровне равно номеру этого уровня.
В пределах одного энергетического подуровня возможен различный распределение орбиталей в пространстве. Так, в трехмерной системе координат для s -орбитали возможно только одно положение:

для р -орбитали - три:

для d -орбитали - пять, для f -орбитали - семь.
Орбитали изображают:
s -подуровень -
p -подуровень -
d -подуровень -
Электрон на схемах обозначается стрелкой, которая указывает его спин. Под спином понимают вращения электрона вокруг своей оси. Он обозначается стрелкой: или . Два электрона на одной орбитали записываются , но не .
Более двух электронов на одной орбитали находиться не может (принцип Паули ).
Принцип наименьшего энерги й: в атоме каждый электрон располагается так, чтобы его энергия была минимальной (что соответствует его крупнейшем связи с ядром) .
Например, распределение электронов в атоме Хлора в:

Один неспаренный электрон определяет валентность Хлора в таком состоянии - I.
Во время получения дополнительной энергии (облучение, нагревание) возможно розпарування электронов (промотирования). Такое состояние атома называется збуджени м. При этом количество неспаренных электронов увеличивается и, соответственно, меняется валентность атома.
Возбужденное состояние атома Хлор в:

Соответственно к числу неспаренных электронов Хлор может иметь валентность III, V и VII.

Атом - наименьшая частица вещества, неделимая химическим путем. В XX веке было выяснено сложное строение атома. Атомы состоят из положительно заряженного ядра и оболочки, образованной отрицательно заряженными электронами. Общий заряд свободного атома равен нулю, так как заряды ядра и электронной оболочки уравновешивают друг друга. При этом величина заряда ядра равна номеру элемента в периодической таблице (атомному номеру ) и равна общему числу электронов (заряд электрона равен −1).

Атомное ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтральных частиц - нейтронов , не имеющих заряда. Обобщенные характеристики элементарных частиц в составе атома можно представить в виде таблицы:

Число протонов равно заряду ядра, следовательно, равно атомному номеру. Чтобы найти число нейтронов в атоме, нужно от атомной массы (складывающейся из масс протонов и нейтронов) отнять заряд ядра (число протонов).

Например, в атоме натрия 23 Na число протонов p = 11, а число нейтронов n = 23 − 11 = 12

Число нейтронов в атомах одного и того же элемента может быть различным. Такие атомы называют изотопами .

Электронная оболочка атома также имеет сложное строение. Электроны располагаются на энергетических уровнях (электронных слоях).

Номер уровня характеризует энергию электрона. Связано это с тем, что элементарные частицы могут передавать и принимать энергию не сколь угодно малыми величинами, а определенными порциями - ква́нтами. Чем выше уровень, тем большей энергией обладает электрон. Поскольку чем ниже энергия системы, тем она устойчивее (сравните низкую устойчивость камня на вершине горы, обладающего большой потенциальной энергией, и устойчивое положение того же камня внизу на равнине, когда его энергия значительно ниже), вначале заполняются уровни с низкой энергией электрона и только затем - высокие.

Максимальное число электронов, которое может вместить уровень, можно рассчитать по формуле:
N = 2n 2 , где N - максимальное число электронов на уровне,
n - номер уровня.

Тогда для первого уровня N = 2 · 1 2 = 2,

для второго N = 2 · 2 2 = 8 и т. д.

Число электронов на внешнем уровне для элементов главных (А) подгрупп равно номеру группы.

В большинстве современных периодических таблиц расположение электронов по уровням указано в клеточке с элементом. Очень важно понимать, что уровни читаются снизу вверх , что соответствует их энергии. Поэтому столбик цифр в клеточке с натрием:
1
8
2

на 1-м уровне - 2 электрона,

на 2-м уровне - 8 электронов,

на 3-м уровне - 1 электрон
Будьте внимательны, очень распространенная ошибка!

Распределение электронов по уровням можно представить в виде схемы:
11 Na)))
2 8 1

Если в периодической таблице не указано распределение электронов по уровням, можно руководствоваться:

• максимальным количеством электронов: на 1-м уровне не больше 2 e − ,
  на 2-м - 8 e − ,
  на внешнем уровне - 8 e − ;
• числом электронов на внешнем уровне (для первых 20 элементов совпадает с номером группы)

Тогда для натрия ход рассуждений будет следующий:

1. Общее число электронов равно 11, следовательно, первый уровень заполнен и содержит 2 e − ;
2. Третий, наружный уровень содержит 1 e − (I группа)
3. Второй уровень содержит остальные электроны: 11 − (2 + 1) = 8 (заполнен полностью)

* Ряд авторов для более четкого разграничения свободного атома и атома в составе соединения предлагают использовать термин «атом» только для обозначения свободного (нейтрального) атома, а для обозначения всех атомов, в том числе и в составе соединений, предлагают термин «атомные частицы». Время покажет, как сложится судьба этих терминов. С нашей точки зрения, атом по определению является частицей, следовательно, выражение «атомные частицы» можно рассматривать как тавтологию («масло масляное»).

2. Задача. Вычисление количества вещества одного из продуктов реакции, если известна масса исходного вещества.
Пример:

Какое количество вещества водорода выделится при взаимодействии цинка с соляной кислотой массой 146 г?

Решение:

1. Записываем уравнение реакции: Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
2. Находим молярную массу соляной кислоты: M (HCl) = 1 + 35,5 = 36,5 (г/моль)
   (молярную массу каждого элемента, численно равную относительной атомной массе, смотрим в периодической таблице под знаком элемента и округляем до целых, кроме хлора, который берется 35,5)
3. Находим количество вещества соляной кислоты: n (HCl) = m / M = 146 г / 36,5 г/моль = 4 моль
4. Записываем над уравнением реакции имеющиеся данные, а под уравнением - число моль согласно уравнению (равно коэффициенту перед веществом):
   4 моль x моль
   Zn + 2HCl = ZnCl 2 + H 2
   2 моль 1 моль
5. Составляем пропорцию:
   4 моль - x моль
   2 моль - 1 моль
   (или с пояснением:
   из 4 моль соляной кислоты получится x моль водорода,
   а из 2 моль - 1 моль)
6. Находим x:
   x = 4 моль 1 моль / 2 моль = 2 моль

Ответ: 2 моль.

Документальные учебные фильмы. Серия «Физика».

Атом (от греческого atomos - неделимый) - одноядерная, неделимая химическим путем частица химического элемента, носитель свойства вещества. Вещества состоят из атомов. Сам атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженного электронного облака. В целом атом электронейтрален. Размер атома полностью определяется размером его электронного облака, поскольку размер ядра ничтожно мал по сравнению с размером электронного облака. Ядро состоит из Z положительно заряженных протонов (заряд протона соответствует +1 в условных единицах) и N нейтронов, которые не несут на себе заряда (протоны и нейтроны называют нуклонами). Таким образом, заряд ядра определятся только количеством протонов и равен порядковому номеру элемента в таблице Менделеева. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами (заряд электрона -1 в условных единицах), которые формируют электронное облако. Количество электронов равно количеству протонов. Массы протонов и нейтронов равны (соответственно 1 и 1 а.е.м.).

Масса атома определяется массой его ядра, поскольку масса электрона примерно в 1850 раз меньше массы протона и нейтрона и в расчетах редко учитывается. Количество нейтронов можно узнать по разности между массой атома и количеством протонов (N=A-Z). Вид атомов какого-либо химического элемента с ядром, состоящим из строго определённого числа протонов (Z) и нейтронов (N) называется нуклидом.

Перед изучением свойств электрона и правил формирования электронных уровней, необходимо затронуть историю формирования представлений о строении атома. Мы не будем рассматривать полную историю становления атомарного строения, а остановимся лишь на самых актуальных и наиболее "верных" представлениях, способных наиболее наглядно показать как располагаются электроны в атоме. Первыми наличие атомов как элементарных составляющих вещества, предположили еще древнегреческие философы. После чего история строения атома прошла сложный путь и разные представления, такие как неделимость атома, Томсоновская модель атома и другие. Наиболее близкой оказалась модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году. Он сравнил атом с солнечной системой, где в роли солнца выступало ядро атома, а электроны двигались вокруг него подобно планетам. Размещение электронов на стационарных орбитах было очень важным шагом в понимании строения атома. Однако такая планетарная модель строения атома шла в противоречие с классической механикой. Дело в том, что при движении электрона по орбите он должен был терять потенциальную энергию и в конце концов "упасть" на ядро и атом должен был прекратить свое существование. Такой парадокс был устранен введением постулатов Нильсом Бором. Согласно этим постулатам электрон двигался по стационарным орбитам вокруг ядра и при нормальных условиях не поглощал и не испускал энергию. Постулаты показывают, что для описания атома законы классической механики не подходят. Такая модель атома называется моделью Бора-Резерфорда. Продолжением планетарного строения атома является квантово-механическая модель атома, согласно которой мы и будем рассматривать электрон.

Электрон является квазичастицей проявляя корпускулярно-волновой дуализм. Он одновременно является и частицей (корпускула) и волной. К свойствам частицы можно отнести массу электрона и его заряд, а к волновым свойствам - способность к дифракции и интерференции. Связь между волновыми и корпускулярными свойствами электрона отражены в уравнении де Бройля.

Понятие «атом» знакомо человечеству ещё со времен Древней Греции. Согласно высказыванию древних философов, атом представляет собой мельчайшую частицу, входящую в состав вещества.

Электронное строение атома

Атом состоит из положительно заряженного ядра внутри которого находятся протоны и нейтроны. Вокруг ядра по орбитам движутся электроны, каждый из которых можно охарактеризовать набором из четырех квантовых чисел: главного (n), орбитального (l), магнитного (m l) и спинового (m s или s).

Главное квантовое число определяет энергию электрона и размеры электронных облаков. Энергия электрона главным образом зависит от расстояния электрона от ядра: чем ближе к ядру находится электрон, тем меньше его энергия. Другими словами, главное квантовое число определяет расположение электрона на том или ином энергетическом уровне (квантовом слое). Главное квантовое число имеет значения ряда целых чисел от 1 до бесконечности.

Орбитальное квантовое число характеризует форму электронного облака. Различная форма электронных облаков обусловливает изменение энергии электронов в пределах одного энергетического уровня, т.е. расщепление её на энергетические подуровне. Орбитальное квантовое число может имеет значения от нуля до (n-1), всего n значений. Энергетические подуровни обозначают буквами:

Магнитное квантовое число показывает ориентацию орбитали в пространстве. Оно принимает любое целое числовое значение от (+l) до (-l), включая нуль. Число возможных значений магнитного квантового числа равна (2l+1).

Электрон, двигаясь в поле ядра атома, кроме орбитального момента импульса обладает также собственным моментам импульса, характеризующим его веретенообразное вращение вокруг собственной оси. Это свойства электрона получило название спина. Величину и ориентацию спина характеризует спиновое квантовое число, которое может принимать значения (+1/2) и (-1/2). Положительное и отрицательное значения спина связаны с его направлением.

До того, как все вышеописанное стало известно и подтверждено экспериментально существовало несколько моделей строения атома. Одна из первых моделей строения атома была предложена Э. Резерфордом, который в опытах по рассеянию α-частиц показал, что почти вся масса атома сосредоточена в очень малом объеме - положительно заряженном ядре. Согласно его модели, вокруг ядра на достаточно большом расстоянии движутся электроны, причем их число таково, что в целом атом электронейтрален.

Развивать модель строения атома Резерфорда стал Н. Бор, который в своем исследовании также объединил учения Эйнштейна о световых квантах и квантовую теорию излучения Планка. Завершили начатое и представили миру современную модель строения атома химического элемента Луи де Бройль и Шредингер.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Укажите количество протонов и нейтронов, которые содержатся в ядрах азота (атомный номер 14), кремния (атомный номер 28) и бария (атомный номер 137).
Решение	Количество протонов в ядре атома химического элемента определяется по его порядковому номеру в Периодической таблице, а количество нейтронов - это разница между массовым числом (М) и зарядом ядра (Z). Азот: n(N)= M -Z = 14-7 = 7. Кремний: n(Si)= M -Z = 28-14 = 14. Барий: n (Ba)= M -Z = 137-56 = 81.
Ответ	Количество протонов в ядре азота равно 7, нейтронов - 7; в ядре атоме кремня протонов 14, нейтронов - 14; в ядре атоме бария протонов 56, нейтронов - 81.

ПРИМЕР 2

Задание	Расположите энергетические подуровни в последовательности их заполнения электронами: а) 3р, 3d, 4s, 4р; б) 4d, 5s, 5р, 6s; в) 4f, 5s, 6р; 4d, 6s; г) 5d, 6s, 6р, 7s, 4f.
Решение	Энергетические подуровни заполняются электронами в соответствии с правилами Клечковского. Обязательным условием является минимальное значение суммы главного и орбитального квантового чисел. Для s-подуровня характерно число 0, p - 1, d - 2 и f-3. Второе условие - первым заполняется подуровень с наименьшим значением главного квантового числа.
Ответ	а) Орбиталям 3р, 3d, 4s, 4р будут соответствовать числа 4, 5, 4 и 5. Следовательно заполнение электронами будет происходить в следующей последовательности: 3p, 4s, 3d, 4p. б) Орбиталям 4d, 5s, 5р, 6s будут соответствовать числа 7, 5, 6 и 6. Следовательно заполнение электронами будет происходить в следующей последовательности: 5s, 5p, 6s, 4d. в) Орбиталям 4f, 5s, 6р; 4d, 6s будут соответствовать числа 7, 5, 76 и 6. Следовательно заполнение электронами будет происходить в следующей последовательности: 5s, 4d, 6s, 4f, 6р. г) Орбиталям 5d, 6s, 6р, 7s, 4f будут соответствовать числа 7, 6, 7, 7 и 7. Следовательно заполнение электронами будет происходить в следующей последовательности: 6s, 4f, 5d, 6р, 7s.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства