Мы знаем, что частица, которая является носителем элементарного электрического заряда – это электрон.
При этом электрон заряжен отрицательно. Откуда же тогда берется положительный заряд? Еще мы знаем, что электроны входят в состав атомов. Однако, далеко не все атомы имеют отрицательный заряд. Что компенсирует отрицательный заряд электронов в атоме? И если электрон, входящий в состав атома так легко перемещается, как тогда может оставаться в устойчивости атом, а соответственно и вещество?
Итак, модель электронного строения атома такова: в центре атома расположено положительно заряженное ядро, вокруг которого движутся отрицательно заряженные электроны. Количество электронов в атомах различных веществ различается. В атоме водорода один электрон, в атоме кислорода – восемь, в атоме железа – двадцать шесть. Но главное в атоме – это совсем не количество электронов. В атоме главное – это состав ядра. Электроны могут покидать атом, и тогда он приобретает положительный заряд за счет положительного заряда ядра. Но свойства вещества при этом не изменяются. А вот если изменить состав ядра, то это будет уже другое вещество с другими свойствами. Сделать это очень сложно, однако возможно.
Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц. В состоянии покоя количество этих частиц и электронов равно, и атом имеет нулевой заряд. Эти частицы называются протонами. p - протон.
Ne=Np (число электронов и число протонов)
Масса каждого протона в 1840 раз больше массы любого электрона. А вот заряд протона равен по модулю заряду одного электрона.
p=+1,6∙10-19Кл.
Число протонов в ядре совпадает с порядковым номером соответствующего элемента в таблице Д. И. Менделеева. С этим же номером совпадает и число электронов в атоме.
Опыты показали, что ядро состоит не только из протонов. В его состав входят еще частицы, не имеющие заряда и практически равные по массе протонам. Эти частицы назвали нейтронами.
n - нейтрон. n=0 Кл.
Помимо порядкового номера, в таблице Д. И. Менделеева для каждого химического элемента указано еще одно число, которое, будучи округленным до целого числа, показывает общее число частиц (протонов и нейтронов) в атомном ядре. Оно обозначается буквой А и называется массовым числом:
А - массовое число ядра.Различие в составе атома на один протон или нейтрон придает атому совсем другие свойства. Это уже разные вещества.
A= Np+ Nn
Атом может без всякого ущерба терять электроны, и тогда его заряд становится положительным. Такой атом называют положительно заряженным ионом. Атом может также и приобретать дополнительные электроны. В таком случае атом получает отрицательный заряд, и его называют отрицательным ионом. Надо еще сказать, что изменяться может только заряд атома в ту или иную сторону. Заряд каждого отдельного электрона или протона – величина постоянная, и изменяться не может ни при каких условиях.
*Планетарная модель атома: опыт Резерфорда
Джозеф
Томсон
В 1903 году английским ученым Томсоном была предложена модель атома, которую в шутку назвали «булочкой с изюмом». По его версии атом представляет собой сферу с равномерным положительным зарядом, в которой как изюминки вкраплены отрицательно заряженные электроны.
Однако дальнейшие исследования атома показали, что эта теория несостоятельна. И через несколько лет другой английский физик – Резерфорд провел серию опытов. На основе результатов им была выстроена гипотеза о строении атома, которая до сих пор является всемирно признанной.
Опыт Резерфорда: предложение своей модели атома
Эрнест Резерфорд
В своих опытах Резерфорд пропускал пучок альфа-частиц сквозь
тонкую золотую фольгу. Золото было выбрано за пластичность, которая позволила создать очень тонкую фольгу, толщиной едва ли не в один слой молекул. За фольгой располагался специальный экран, подсвечивавшийся при бомбардировке попадающими на него альфа частицами. По теории Томсона альфа-частицы должны были беспрепятственно проходить сквозь фольгу, совсем немного отклоняясь в стороны. Однако, оказалось, что часть частиц так и вела себя, а совсем небольшая часть отскакивала назад, как будто ударившись во что-то.
То есть было установлено, что внутри атома существует нечто твердое и небольшое, от чего и отскакивали альфа-частицы. Тогда-то Резерфорд и предложил планетарную модель строения атома. Планетарная модель атома по Резерфорду объясняла результаты проведения как его экспериментов, так и опытов его коллег. До сего дня не предложено лучшей модели, хотя некоторые аспекты этой теории все равно не согласуются с практикой в некоторых очень узких областях науки. Но в основном, планетарная модель атома самая пригодная из всех. В чем же состоит эта модель?
Как следует из названия, атом сравнивается с планетой. В данном случае планету представляет из себя ядро атома. А вокруг ядра на довольно большом расстоянии вращаются электроны, как и вокруг планеты вращаются спутники. Только скорость вращения электронов в сотни тысяч раз превосходит скорость вращения самого быстрого спутника. Поэтому при своем вращении электрон создает как бы облако над поверхностью ядра. И существующие заряды электронов отталкивают такие же заряды, образованные другими электронами вокруг других ядер. Поэтому атомы не «слипаются», а располагаются на некотором расстоянии друг от друга.
И когда мы говорим о столкновении частиц, имеется в виду, что они подходят друг к другу на достаточно большое расстояние и отталкиваются полями своих зарядов. Непосредственного контакта не происходит. Частицы в веществе вообще расположены очень далеко друг от друга. Если бы каким-либо способом удалось схлопнуть вместе частицы какого-либо тела, оно бы уменьшилось в миллиарды раз. Земля стала бы меньше яблока размером. Так что основной объем любого вещества, как ни странно это звучит, занимает пустота, в которой расположены заряженные частицы, удерживающиеся на расстоянии электронными силами взаимодействия.
Из планетарной модели строения атомов нам известно, что атом представляет собой ядро, и вращающееся вокруг него облако электронов. Причем расстояние между электронами и ядром в десятки и сотни тысяч раз больше, чем размер самого ядра.
Что же представляет собой само ядро? Это маленький твердый неделимый шарик или оно состоит из более мелких частиц? Ни один существующий в мире микроскоп не в состоянии наглядно показать нам, что происходит на таком уровне. Там все слишком маленькое. Тогда как быть? Возможно ли вообще изучить физику атомного ядра? Как узнать состав и характеристики атомного ядра, если исследовать его нет возможности?
Самыми разнообразными косвенными опытами, высказывая гипотезы и проверяя их на практике, путем проб и ошибок, ученым удалось исследовать строение атомного ядра. Оказалось, что ядро состоит из еще более мелких частиц. От количества этих частиц зависит размер ядра, его заряд и химические свойства вещества. Причем частицы эти обладают положительным зарядом, что и компенсирует отрицательный заряд электронов атома. Частицы эти назвали протонами. Их количество в нормальном состоянии всегда равно количеству электронов. Вопрос, как определить заряд ядра, больше не стоял. Заряд ядра атома в нейтральном состоянии всегда равен числу вращающихся вокруг него электронов и противоположен по знаку заряду электронов. А определять количество и заряд электронов физики уже научились.
Строение атомного ядра: протоны и нейтроны
Однако в процессе дальнейших исследований возникла новая проблема. Оказалось, что протоны, обладая одинаковым зарядом, в некоторых случаях вдвое различаются по массе. Это вызвало множество вопросов и не состыковок. В конце концов, удалось установить, что в состав атомного ядра, кроме протонов входят еще некие частицы, практически равные протонам по массе, однако не обладающие никаким зарядом. Частицы эти назвали нейтронами. Обнаружение нейтронов разрешило все не состыковки в расчетах. В итоге протоны и нейтроны, как составляющие элементы ядра получили название нуклонов. Расчет любых значений, касающихся характеристик ядра, стал значительно более простым понятным. В образовании заряда ядра нейтроны участия не принимают, поэтому влияние их на химические свойства вещества практически не проявляется, однако нейтроны участвуют в образовании массы ядер, соответственно, влияют на гравитационные свойства ядра атома. Таким образом, присутствует некоторое косвенное влияние нейтронов на свойства вещества, но оно крайне незначительно.
II уровень. Ответьте на вопросы.
1. Из каких частиц состоят атомы вещества?
2. Каков знак электрического заряда ядра атома?
3. Какую частицу называют протоном?
4. Какую частицу называют нейтроном?
5. Какого знака заряд имеет электрон? Протон?
6. Укажите, какая часть атома несет положительный заряд, а какая — отрицательный?
7. Может ли атом водорода лишиться заряда, равного 1,5 заряда электрона?
8. В каком случае атом водорода превращается в положи тельный ион?
9. Существуют ли атомные ядра с зарядом меньшим, чем у протона?
10. Какой заряд приобретает атом железа, если он поте ряет один электрон?
11. Является ли нейтральным атом гелия, если вокруг его ядра обращается один электрон?
II уровень. Сделайте письменно.
1. В ядре атома серебра 107 частиц. Вокруг ядра обра щается 47 электронов. Сколько в ядре этого атома нейтронов и протонов?
2. В ядре атома цинка 65 частиц, из них 30 протонов. Сколько нейтронов в ядре и сколько электронов об ращается вокруг ядра этого атома?
3. В ядре атома урана содержится 238 частиц. Вокруг ядра движется 92 электрона. Сколько в ядре этого атома нейтронов и протонов?
4. В ядре атома золота 197 частиц, из них 79 протонов. Сколько нейтронов в ядре и сколько электронов об ращается вокруг ядра этого атома?
5. В каком из перечисленных ниже случаев можно ут верждать, что мы имеем дело с двумя атомами одно го и того же химического элемента: а) в ядрах ато мов одинаковое число частиц; б) в ядрах атомов одинаковое число протонов; в) в ядрах атомов одинако вое число нейтронов?