Из каких частиц состоит атом

Атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов. Ядро содержит протоны и нейтроны. Их числа определяют элемент и изотоп, а число электронов вместе с числом протонов определяет заряд частицы. Научимся читать обозначения изотопов и рассчитывать состав атома.

1. Заряды и массы протона, нейтрона и электрона

В центре атома находится положительно заряженное ядро. Оно содержит протоны и, у большинства атомов, нейтроны. В окружающей ядро области находятся отрицательно заряженные электроны. Положительный заряд протона и отрицательный заряд электрона равны по величине.

Нейтрон электрически нейтрален, но обладает массой. Электрон намного легче протона, однако его масса тоже не равна нулю. В обычном нейтральном атоме электронов столько же, сколько протонов: их заряды компенсируются.

Изображение электронного облака не означает, что атом окружён настоящим цветным туманом. Оно передаёт распределение вероятности обнаружения электронов. Точные дорожки движения, похожие на орбиты планет, для современного описания атома не подходят. Цвета и размеры частиц на учебных картинках условны.

Исключение, которое полезно знать: ядро самого распространённого изотопа водорода — протия — содержит один протон и ни одного нейтрона.

Протоны, нейтроны и электроны — основные составные частицы в модели этого урока. При более глубоком изучении выясняется, что протоны и нейтроны сами состоят из кварков. Поэтому называть все три частицы неделимыми было бы неверно.

2. Рассеяние α-частиц и открытие ядра

В опытах Гейгера и Марсдена под руководством Резерфорда поток положительно заряженных альфа-частиц направляли на тонкую металлическую фольгу. Большинство частиц проходило почти прямо. Некоторые отклонялись, а очень малая часть поворачивала на большой угол, иногда почти назад.

Если бы положительный заряд и масса были равномерно распределены по всему атому, сильное отклонение было бы трудно объяснить. Резерфорд предложил ядерную модель: основная масса и положительный заряд сосредоточены в очень маленькой области.

При близком прохождении положительно заряженная альфа-частица сильно отталкивается положительным ядром. Разворот не следует представлять как обязательное столкновение двух твёрдых шариков: направление меняет электрическое взаимодействие.

Интерактив на странице показывает три характерные траектории. Это качественная схема, а не расчёт эксперимента: размеры, расстояния и частоты событий не соблюдены. Сам по себе этот опыт не является открытием нейтрона.

3. Размеры атома и ядра

Характерный размер атома составляет около 10⁻¹⁰ м, а размер ядра — около 10⁻¹⁵–10⁻¹⁴ м. Значения зависят от элемента и определения размера. Для образного сравнения в учебной модели примем, что диаметр ядра в 100 000 раз меньше диаметра атома.

Атом размером со стадион

Увеличим диаметр атома до 100 м. Тогда диаметр ядра составит 100 м / 100 000 = 0,001 м = 1 мм. На лендинге можно изменить размер воображаемого атома и увидеть результат.

Почти вся масса атома приходится на ядро, поскольку протоны и нейтроны примерно в 1800 раз тяжелее электронов. Большая часть объёма не заполнена плотным ядерным веществом. При этом фраза «внутри ничего нет» слишком груба: в атоме есть электроны и действуют электрические поля.

Размер и масса — разные характеристики. Большая электронная область не обязана содержать большую долю массы. Из учебной картинки, где ядро нарисовано огромным, нельзя измерять настоящий атом.

Не перепутай радиус и диаметр

Если радиус ядра в модели равен 0,08 мм, то радиус атома при выбранном соотношении равен 8000 мм = 8 м. Диаметр атома вдвое больше: 16 м. Сначала сравниваем одинаковые величины — радиус с радиусом, затем переводим в диаметр.

4. Что определяет элемент, массу и заряд

Химический элемент — вид атомов с одинаковым зарядом ядра, то есть одинаковым числом протонов. Один протон означает водород, шесть — углерод, восемь — кислород. Это число обозначают Z. Оно совпадает с порядковым номером элемента в периодической таблице.

Массовое число A — сумма числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре.

A = Z + N N = A − Z

Массовое число всегда целое, потому что оно считает частицы. Его нельзя отождествлять с точной массой атома. Массы протона и нейтрона немного отличаются, а масса связанного ядра отличается от суммы масс свободных частиц.

Для удобства ввели атомную единицу массы: 1 а. е. м. равна 1/12 массы атома углерода-12. Масса атома, выраженная в этих единицах, близка к его массовому числу. Например, для учебных расчётов массу атома кислорода-16 принимают приблизительно равной 16 а. е. м.

В нейтральном атоме число электронов равно Z. Если электронов становится меньше или больше, суммарный заряд уже не нулевой: получается ион. При потере электрона элемент не меняется, потому что число протонов осталось прежним.

Заряд частицы в единицах e = число протонов − число электронов

Меняем по одной частице

Исходная схема: 6 протонов, 6 нейтронов, 6 электронов — нейтральный углерод-12. Добавили нейтрон: получили углерод-13. Убрали электрон: изменили заряд на +1, но сохранили углерод. Изменили число протонов на 7: теперь ядро относится к азоту. Последнее изменение — уже изменение ядра, а не обычная химическая реакция.

5. Один элемент — разные изотопы

Изотопы — атомы одного элемента, различающиеся числом нейтронов и, следовательно, массовым числом. Число протонов у них одинаково. У нейтральных атомов этих изотопов одинаково также число электронов.

Углерод-12 и углерод-13 устойчивы. Углерод-14 радиоактивен — с ним мы познакомились в предыдущем уроке. Не следует считать, что любой изотоп обязательно радиоактивен.

У изотопов водорода есть собственные названия. Протий ¹H имеет один протон без нейтронов; дейтерий ²H — один протон и один нейтрон; тритий ³H — один протон и два нейтрона. Тритий радиоактивен. Буквой D также обозначают дейтерий.

Химические свойства изотопов одного элемента близки, потому что устройство электронной оболочки нейтральных атомов сходно. Но различие масс может влиять на скорость реакций и некоторые свойства веществ. Поэтому «полностью одинаковые свойства при любых условиях» — неточная формулировка.

6. Как читать обозначение изотопа

Рядом с символом элемента массовое число A записывают слева сверху, а число протонов Z — слева снизу. Например, в записи ¹⁹₉F верхнее число 19 означает протоны и нейтроны вместе, нижнее 9 — только протоны. Для нейтрального атома:

p = 9; n = 19 − 9 = 10; e = 9

Хлор-35

У хлора Z = 17. В нейтральном атоме ³⁵Cl 17 протонов, 35 − 17 = 18 нейтронов и 17 электронов. Если в ядре хлора нейтронов на три больше, чем протонов, то N = 20, A = 37: это уже хлор-37.

Число сверху слева нельзя путать с нижним индексом справа в формуле молекулы. ¹³C — изотоп углерода с массовым числом 13. CO₂ — молекула, содержащая один атом углерода и два атома кислорода. Это разные виды информации.

7. Почему бывает тяжёлая вода

Обычную воду записывают H₂O. Если два атома протия в молекуле заменить дейтерием, получится D₂O — тяжёлая вода. Дейтерий остаётся водородом: у него один протон, но есть дополнительный нейтрон.

При кислороде-16 приблизительная масса молекулы H₂O равна 2 × 1 + 16 = 18 а. е. м., а D₂O — 2 × 2 + 16 = 20 а. е. м. Это оценки по массовым числам, а не точные молекулярные массы.

Природная вода содержит смесь изотопных разновидностей молекул; запись H₂O сама по себе не задаёт конкретный изотоп кислорода или водорода. Прозрачность жидкости не позволяет узнать её изотопный состав. Изображение капли на странице — иллюстрация, а не способ различать вещества по виду.

8. Типичные ошибки

• «Нейтрон ничего не весит». У него нулевой заряд, но масса близка к массе протона.
• «Нейтральный атом не содержит зарядов». Заряженные частицы есть; их суммарный заряд равен нулю.
• «Число нейтронов определяет элемент». Элемент определяет число протонов.
• «A — число всех частиц атома». Электроны в массовое число не входят.
• «Изотопы — разные элементы». Это один элемент с разными числами нейтронов.
• «Потеря электрона превращает углерод в бор». Она меняет заряд, сохраняя число протонов.
• «Любая комбинация в конструкторе существует». Конструктор проверяет счёт частиц, а не устойчивость всех возможных ядер и ионов.

9. Самопроверка с ответами

1. Чем отличаются нейтрон и электрон по заряду, массе и положению в атоме?
2. В нейтральном атоме 12 протонов и 12 нейтронов. Найди A и число электронов.
3. Сколько частиц каждого вида в нейтральном азоте-14, если Z = 7?
4. У двух атомов по 8 протонов; нейтронов 8 и 10. Это изотопы? Назови их.
5. У атома углерода-13 удалили один электрон. Найди числа протонов, нейтронов, электронов и заряд.
6. Диаметр воображаемого атома 3500 км. Каковы диаметр и радиус ядра при соотношении 100 000?
7. Почему ¹⁴C и CO₂ не означают одно и то же?
8. Оцени массу молекулы воды с двумя атомами дейтерия и кислородом-18.

Открыть ответы и объяснения

1. Нейтрон: заряд 0, масса около 1 а. е. м., находится в ядре. Электрон: заряд −1, масса примерно в 1836 раз меньше массы протона, находится вне ядра.
2. A = 12 + 12 = 24; электронов 12. Это магний-24.
3. 7 протонов, 14 − 7 = 7 нейтронов, 7 электронов.
4. Да: кислород-16 и кислород-18. Z одинаково, N различается.
5. 6 протонов, 7 нейтронов, 5 электронов. Заряд +1e. Элемент остаётся углеродом.
6. Диаметр: 3500 км / 100 000 = 0,035 км = 35 м. Радиус: 17,5 м.
7. Первая запись обозначает изотоп, вторая — состав молекулы.
8. 2 × 2 + 18 ≈ 22 а. е. м.

10. Заметки для учителя

Результат. Ученик различает три частицы, связывает элемент с Z, вычисляет N по A и Z, объясняет изотопы и нейтральность. Не требуется строить электронные конфигурации или запоминать устойчивость всех ядер.

Маршрут на 40–45 минут. Начните с вопроса «Что изменится, если добавить одну частицу?». Сравните заряд, массу и положение частиц и опыт с фольгой, обсудите масштаб. Затем предложите самостоятельно собрать углерод-14. Сравните углеродные изотопы, решите три задания с записью атома и завершите тестом. Полный текст подходит для самостоятельной подготовки и печати.

Методический акцент. Меняйте в конструкторе только один параметр за раз. После изменения нейтронов спрашивайте название элемента; после изменения электронов — заряд. При изменении протонов обращайте внимание, что это уже другое ядро. Счётная модель допускает комбинации, для которых устойчивый атом или ион не существует; не используйте её как справочник нуклидов.

Модели и изображения. Ядро увеличено ради наглядности. В масштабе стадиона использовано одно условное отношение диаметров, а не универсальная константа для всех элементов. Электронное облако не имеет жёсткой поверхности. Изображение опыта с фольгой — художественная реконструкция, диаграмма траекторий — объяснение принципа.

Углубление. Предложите выяснить, почему средняя относительная атомная масса в таблице может быть дробной: природный элемент обычно представляет смесь изотопов. Не отождествляйте среднее значение с массовым числом конкретного атома. Эту связь удобно продолжить в следующем уроке о периодической таблице.