§ 31. Строение атома

фундаментальная физическая модель строения атома, предложенная выдающимся британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1911 г. на основе классических опытов по рассеянию $\alpha$-частиц тонкой золотой фольгой:

• 1. Ядро — в самом центре атома находится положительно заряженное ядро ничтожно малого диаметра (около $10^{-15}\text{ м}$ по сравнению с размером самого атома порядка $10^{-10}\text{ м}$), в котором сосредоточено более $99{,}95\%$ всей массы атома.
• 2. Электронная оболочка — вокруг положительного ядра по орбитам под действием электростатических кулоновских сил притяжения обращаются отрицательно заряженные электроны, подобно планетам вокруг Солнца.
• 3. Электронейтральность — в нейтральном атоме суммарный отрицательный заряд всех электронов оболочки в точности равен положительному заряду ядра, поэтому атом в целом не имеет электрического заряда.

стабильная элементарная частица, входящая в состав всех атомных ядер (открыта Э. Резерфордом в 1919 г.):

• 1. Электрический заряд — строго положителен и равен по модулю элементарному заряду: $q_p = +e \approx +1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$.
• 2. Масса покоя — $m_p \approx 1{,}673 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$ (примерно в $1836$ раз тяжелее электрона).

электрически нейтральная элементарная частица, входящая в состав ядер всех элементов (кроме лёгкого водорода — протия); открыта английским физиком Дж. Чедвиком в 1932 г.:

• 1. Электрический заряд — равен нулю: $q_n = 0$.
• 2. Масса покоя — $m_n \approx 1{,}675 \cdot 10^{-27}\text{ кг}$, чуть больше массы протона (примерно в $1839$ раз тяжелее электрона).

ядро) — общее родовое название протонов и нейтронов как составных частиц атомного ядра.

• 1. Массовое число ($A$) — общее число нуклонов в ядре: $A = Z + N$, где $Z$ — число протонов, $N$ — число нейтронов.

сверхмощные короткодействующие силы притяжения неэлектрической природы, действующие между нуклонами внутри атомного ядра:

• 1. Величина — на расстояниях порядка $10^{-15}\text{ м}$ ядерные силы примерно в $100$ раз превосходят электростатическое кулоновское отталкивание между одноимённо заряженными протонами, обеспечивая колоссальную прочность атомных ядер.

идущий) — электрически заряженная атомная частица, образующаяся в результате отрыва от нейтрального атома или присоединения к нему одного или нескольких электронов:

• 1. Положительный ион (катион) — атом, потерявший один или несколько электронов из своей оболочки; число протонов в ядре превышает число электронов, суммарный заряд положителен.
• 2. Отрицательный ион (анион) — атом, захвативший лишние электроны; число электронов в оболочке превышает число протонов в ядре, суммарный заряд отрицателен.

главная фундаментальная физическая и химическая характеристика атома, равная общему количеству протонов в ядре ($q_{\text{ядра}} = +Z \cdot e$):

• 1. Закон Менделеева — заряд ядра определяет химическую индивидуальность элемента, его порядковый номер в Периодической системе Д. И. Менделеева, число орбитальных электронов нейтрального атома и конфигурацию электронной оболочки.

Британский физик новозеландского происхождения, «отец ядерной физики» и лауреат Нобелевской премии, создатель планетарной модели атома и первооткрыватель атомного ядра и протона.

• В 1911 году на основе классических опытов по рассеянию альфа-частиц тонкой металлической фольгой предложил планетарную (ядерную) модель строения атома.
• Доказал, что практически вся масса атома (более 99,95%) сосредоточена в его крошечном положительно заряженном ядре, вокруг которого по замкнутым орбитам вращаются отрицательные электроны.
• В 1919 году экспериментально расщепил ядро азота и открыл элементарную положительно заряженную частицу — протон, являющийся составной частью атомных ядер.

Согласно планетарной модели Резерфорда:

• В центре атома гелия располагается положительно заряженное ядро, содержащее $2$ протона и $2$ нейтрона. Заряд ядра равен $+2e$. В ядре сосредоточена практически вся масса атома гелия.
• Вокруг ядра на сравнительно огромных расстояниях вращаются $2$ отрицательно заряженных электрона с суммарным зарядом $-2e$.
• Сила кулоновского притяжения разноимённых зарядов ядра и электронов удерживает электроны на орбитах, а равенство зарядов ядра и оболочки ($+2e - 2e = 0$) делает атом гелия в целом электрически нейтральным.

В состав атомного ядра входят два вида элементарных частиц, называемых нуклонами:

• 1) Протоны — несут положительный элементарный электрический заряд $+e \approx +1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ Кл}$.
• 2) Нейтроны — не имеют электрического заряда ($q = 0$).

Строение атомов согласно схеме Резерфорда (рис. 66 учебника):

• 1) Атом водорода ($^1_1\text{H}$): ядро состоит всего из $1$ протона (нейтронов нет). Вокруг ядра обращается $1$ электрон. Заряд ядра $+1e$, заряд оболочки $-1e$.
• 2) Атом гелия ($^4_2\text{He}$): ядро состоит из $2$ протонов и $2$ нейтронов. Вокруг ядра вращаются $2$ электрона. Заряд ядра $+2e$, заряд оболочки $-2e$.
• 3) Атом лития ($^7_3\text{Li}$): ядро состоит из $3$ протонов и $4$ нейтронов. Вокруг ядра вращаются $3$ электрона на двух электронных слоях. Заряд ядра $+3e$, заряд оболочки $-3e$.

Ядро атома чрезвычайно прочно связано ядерными силами, поэтому протоны не могут покинуть ядро при обычных физических процессах. Ионизация происходит исключительно за счёт перемещения электронов внешней оболочки:

• Положительный ион образуется, когда нейтральный атом теряет один или несколько внешних электронов (например, при нагревании, ударе или трении). В образовавшейся частице число протонов ядра оказывается больше числа оставшихся электронов, и частица приобретает избыточный положительный заряд.
• Отрицательный ион образуется, когда нейтральный атом присоединяет к своей оболочке один или несколько дополнительных электронов. Число электронов становится больше числа протонов ядра, и частица приобретает избыточный отрицательный заряд.

Главной фундаментальной характеристикой химического элемента является заряд его атомного ядра (число протонов $Z$ в ядре).

Именно число протонов строго фиксировано для каждого химического элемента: число электронов может меняться (образуются ионы), число нейтронов может различаться (образуются изотопы), но заряд ядра остаётся неизменным и в точности равен порядковому номеру элемента в Периодической таблице Д. И. Менделеева.

• Электрон — это неделимая элементарная бесструктурная частица, обладающая массой $m_e \approx 9{,}1 \cdot 10^{-31}\text{ кг}$ и точечным неделимым отрицательным зарядом $-e$.
• Отрицательный ион — это сложная атомная макросистема, состоящая из массивного положительного атомного ядра (протоны + нейтроны) и электронной оболочки, в которой число электронов превосходит число протонов. Масса отрицательного иона в десятки тысяч раз больше массы электрона, а его отрицательный заряд может быть равен $-1e$, $-2e$, $-3e$ в зависимости от числа присоединённых электронов.

Да, безусловно. Порядковый номер любого химического элемента в таблице Менделеева численно равен числу протонов в его атомном ядре (или числу электронов нейтрального атома):

• У водорода $1$ протон в ядре $\rightarrow$ № 1.
• У гелия $2$ протона в ядре $\rightarrow$ № 2.
• У лития $3$ протона в ядре $\rightarrow$ № 3.