Строение атома

Атом – мельчайшая частица материи. Его изучение началось в Древней Греции, когда внимание не только ученых, но и философов было приковано к строению атома. Какова электронная структура атома и какая основная информация известна об этой частице?

Строение атома

Уже древнегреческие ученые догадывались о существовании мельчайших химических частиц, из которых состоит любой предмет и организм. И если в XVII-XVIII вв. Химики были уверены, что атом — неделимая элементарная частица, затем, в конце 19 и 20 веков, им удалось экспериментально доказать, что атом не является неделимым.

Атом, будучи микроскопической частицей вещества, состоит из ядра и электронов. Ядро в 10 000 раз меньше атома, но почти вся его масса сосредоточена в ядре. Основной характеристикой атомного ядра является то, что оно имеет положительный заряд и состоит из протонов и нейтронов. Протоны имеют положительный заряд, а нейтроны не имеют заряда (они нейтральны). Они связаны друг с другом сильным ядерным взаимодействием. Масса протона примерно равна массе нейтрона, но в то же время в 1840 раз больше массы электрона. Протоны и нейтроны имеют общее название в химии: нуклоны. Сам атом электрически нейтрален.

Атом любого элемента можно обозначить электронной формулой и электронной графической формулой:

Рис. 1. Электронная графическая формула атома.

Единственный элемент периодической таблицы, не содержащий нейтронов, — это легкий водород (протий).

Электрон – отрицательно заряженная частица. Электронная оболочка состоит из электронов, движущихся вокруг ядра. Электроны обладают свойствами притягиваться к ядру, и между ними на них действует кулоновское взаимодействие. Чтобы преодолеть притяжение ядра, электроны должны получать энергию от внешнего источника. Чем дальше электрон от ядра, тем меньше энергии нужно для этого.

Модели атомов

Ученые давно пытались понять природу атома. На раннем этапе большой вклад внес древнегреческий философ Демокрит. Хотя сейчас его теория кажется нам банальной и слишком простой, в то время, когда понятие элементарных частиц только начинало зарождаться, к его теории частиц материи относились очень серьезно. Демокрит считал, что свойства любого вещества зависят от формы, массы и других характеристик атомов. Так, например, возле огня, считал он, есть острые атомы; поэтому огонь горит; вода имеет гладкие атомы, поэтому она может течь; в твердых предметах, по его мнению, атомы были грубы.

Демокрит считал, что абсолютно все состоит из атомов, в том числе и человеческая душа.

В 1904 г. Дж. Дж. Томсон предложил свою модель атома. Основные положения теории сводились к тому, что атом представлялся как положительно заряженное тело, внутри которого находились отрицательно заряженные электроны. Позднее эта теория была опровергнута Э. Резерфордом.

Рис. 2. Модель атома Томсона.

В том же 1904 г японский физик Х. Нагаока предложил примитивную планетарную модель атома по аналогии с планетой Сатурн. Согласно этой теории, электроны связаны кольцами и вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Эта теория оказалась неверной.

В 1911 г. Э. Резерфорд, проведя ряд экспериментов, пришел к выводу, что атом по своему строению подобен планетной системе. Ведь электроны, как и планеты, движутся по орбитам вокруг тяжелого, положительно заряженного ядра. Однако это описание противоречило классической электродинамике. Затем датский физик Нильс Бор в 1913 году ввел постулаты, суть которых заключалась в том, что электрон, находясь в каких-то особых состояниях, не излучает энергию. Таким образом, постулаты Бора показали, что классическая механика неприменима к атомам. Планетарная модель, описанная Резерфордом и дополненная Бором, получила название планетарной модели Бора-Резерфорда.

Рис. 3. Планетарная модель Бора-Резерфорда.

Дальнейшее изучение атома привело к созданию такого раздела, как квантовая механика, с помощью которого объяснялись многие научные факты. Современные представления об атоме развились из планетарной модели Бора-Резерфорда.