§ 30. Основные сведения о строении атома

Физическая модель структуры атома, предложенная Эрнестом Резерфордом в 1911 году на основе экспериментов по рассеянию $\alpha$-частиц:

• В центре атома находится положительно заряженное ядро предельно малого радиуса (в 100 000 раз меньше радиуса атома), в котором сосредоточена практически вся масса атома
• Вокруг ядра по орбиталям обращаются отрицательно заряженные электроны, образующие электронную оболочку

Центральная, сверхплотная положительно заряженная часть атома, состоящая из ядерных частиц — нуклонов:

• Протон ($^1_1p$): стабильная частица с массой $m \approx 1{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$ ($1\text{ а. е. м.}$) и единичным положительным зарядом $+1$
• Нейтрон ($^1_0n$): электронейтральная частица (заряд $0$) с массой $m \approx 1{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$ ($1\text{ а. е. м.}$)

Совокупность движущихся вокруг ядра отрицательно заряженных микрочастиц:

• Электрон ($e^-$ или $^0_{-1}e$): элементарная частица с наименьшим неделимым отрицательным зарядом $-1$ и массой покоя $9{,}11 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$ (в 1836 раз легче протона)
• В электронейтральном атоме суммарный отрицательный заряд электронов в оболочке строго равен положительному заряду ядра (число электронов равно числу протонов)

Суммарное количество протонов ($Z$) и нейтронов ($N$) в ядре атома:

$$A = Z + N$$

• Число нейтронов вычисляется по разности: $N = A - Z$

Электрически заряженные частицы, образующиеся в результате отдачи или присоединения электронов нейтральными атомами:

• Катионы ($M^{n+}$): положительно заряженные ионы, образующиеся при потере электронов ($Na - 1e^- \rightarrow Na^+$)
• Анионы ($Ac^{n-}$): отрицательно заряженные ионы, образующиеся при присоединении электронов ($Cl + 1e^- \rightarrow Cl^-$)

Вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра (одинаковым числом протонов $Z$).

• Порядковый номер элемента в таблице Менделеева численно равен заряду ядра и числу протонов

Разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра (одинаковое число протонов $Z$), но разное массовое число за счёт различного количества нейтронов ($N$) в ядре.

• Имеют одинаковое строение электронных оболочек и практически идентичные химические свойства, но различаются массами и ядерными характеристиками

Выдающийся английский физик, один из создателей учения о радиоактивности и строении материи, лауреат Нобелевской премии по химии (1908), создатель классической планетарной модели строения атома.

• В 1911 году на основе экспериментов по зондированию вещества альфа-частицами доказал делимость атома и предложил его планетарную модель, напоминающую строение Солнечной системы.
• Установил, что в центре атома находится сверхплотное положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома, а вокруг ядра располагаются отрицательно заряженные электроны.
• Сформулировал наглядное сопоставление масштабов микромира, сравнив крошечное атомное ядро с футбольным мячом, а весь атом — с огромным современным стадионом, радиус которого в 100 тысяч раз больше ядра.

1. Состав ядра атома:

Ядро атома состоит из ядерных частиц — нуклонов, к которым относятся:

• Протоны ($p^+$) — положительно заряженные частицы с зарядом $+1$ и массой $1\text{ а. е. м.}$;
• Нейтроны ($n^0$) — электрически нейтральные частицы с зарядом $0$ и массой $1\text{ а. е. м.}$

2. Способы определения характеристик:

• Заряд ядра атома: численно равен порядковому номеру элемента ($Z$) в Периодической системе Д. И. Менделеева со знаком «$+$» (например, для натрия № 11 заряд ядра равен $+11$);
• Количество протонов ($Z$): строго равно порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева ($N(p) = Z$);
• Массовое число ($A$): равно округлённой до целого значения относительной атомной массе ($A_r$) из таблицы Менделеева (исключение — хлор с $A_r = 35{,}5$, у которого стабильные изотопы имеют массовые числа 35 и 37);
• Количество нейтронов ($N$): равно разности между массовым числом ($A$) и порядковым номером ($Z$):

$$N = A - Z$$

1. Сравнение протона ($p^+$) и нейтрона ($n^0$):

• Общее:
• Оба входят в состав ядра атома и объединяются понятием «нуклоны»;
• Имеют практически одинаковую массу, равную приближённо $1{,}67 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$, принимаемую в химии за единицу ($1\text{ а. е. м.}$);
• Участвуют в сильном ядерном взаимодействии, удерживающем ядро от распада.
• Различия:
• Протон несёт элементарный положительный электрический заряд ($+1$);
• Нейтрон не имеет электрического заряда (заряд равен $0$).

2. Сравнение протона ($p^+$) и электрона ($e^-$):

• Общее:
• Обе частицы обладают неделимым элементарным электрическим зарядом, равным по абсолютной величине $1{,}602 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$;
• В нейтральном атоме число протонов строго равно числу электронов.
• Различия:
• По знаку заряда: у протона заряд положительный ($+1$), у электрона — отрицательный ($-1$);
• По массе: протон в 1836 раз тяжелее электрона ($m(p) \approx 1\text{ а. е. м.}$, тогда как масса электрона $m(e) \approx 1/1836\text{ а. е. м.} \approx 9{,}11 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$ пренебрежимо мала);
• По локализации: протоны неподвижно связаны внутри плотного ядра сильными ядерными силами, а электроны находятся в непрерывном движении в электронной оболочке вокруг ядра.

1. Определение изотопов:

Изотопами называют разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра которых содержат одинаковое число протонов ($Z$), но различное число нейтронов ($N$), и поэтому обладают разными массовыми числами ($A$).

2. Запись обозначений изотопов:

• Изотопы водорода ($Z = 1$):
• Протий: $^1_1H$ (ядро: 1 протон, 0 нейтронов);
• Дейтерий: $^2_1H$ или $D$ (ядро: 1 протон, 1 нейтрон);
• Тритий: $^3_1H$ или $T$ (радиоактивный, ядро: 1 протон, 2 нейтрона).
• Изотопы хлора ($Z = 17$):
• Хлор-35: $^{35}_{17}Cl$ (ядро: 17 протонов, 18 нейтронов, распространённость $\approx 75\%$);
• Хлор-37: $^{37}_{17}Cl$ (ядро: 17 протонов, 20 нейтронов, распространённость $\approx 25\%$).
• Изотопы калия ($Z = 19$):
• Калий-39: $^{39}_{19}K$ (ядро: 19 протонов, 20 нейтронов);
• Калий-40: $^{40}_{19}K$ (ядро: 19 протонов, 21 нейтрон, природный радиоактивный изотоп);
• Калий-41: $^{41}_{19}K$ (ядро: 19 протонов, 22 нейтрона).