Содержание:
Что такое атом
Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая сохраняет его химические свойства. Само слово происходит от древнегреческого ἄτομος (átomos) — «неделимый» [1]. Древние философы считали атом мельчайшей частицей материи, которую нельзя разделить. Сегодня известно, что он делится и имеет сложную внутреннюю структуру, но название сохранилось.
Размеры атомов — порядка 0,1 нанометра (10-10 метра) [2]. Для сравнения: толщина человеческого волоса в миллион раз больше диаметра атома. Масса тоже крайне мала: например, водород весит так мало, что потребуется около 600 миллиардов триллионов его атомов, чтобы набрать один грамм.
Атомы соединяются друг с другом и образуют молекулы, а молекулы — вещества. Например, молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разные виды атомов называются химическими элементами — их известно 118, они систематизированы в периодической таблице Менделеева [3]. Все вокруг нас — воздух, вода, камни, растения и наши тела — состоит из атомов. Они образуют каждый объект во Вселенной, от песчинки до звезды.
Кто открыл атом
Идею о мельчайших неделимых частицах выдвинул древнегреческий философ Левкипп [4], а его ученик Демокрит [5] развил ее и дал им название «атом». По Демокриту, атомы вечны, бесчисленны и постоянно движутся.
Научное обоснование дал английский химик Джон Дальтон [6] в начале XIX века: он предположил, что каждый элемент состоит из одинаковых атомов определенной массы, а химические реакции — это перегруппировка атомов.
Долгое время существование атомов оставалось гипотезой — их никто не наблюдал напрямую. В начале XX века серия экспериментов подтвердила, что атомы реальны и имеют внутреннюю структуру: в 1897 году Джозеф Джон Томсон обнаружил электрон [7], а в 1911 году Эрнест Резерфорд направлял альфа-частицы на золотую фольгу и сделал вывод, что в центре атома находится крошечное плотное ядро [8].
Строение атома
Атом состоит из ядра в центре и электронной оболочки вокруг него. Ядро примерно в 100 000 раз меньше [9] самого атома: оно содержит протоны и нейтроны, а вокруг него движутся электроны.
Протоны
Протоны — положительно заряженные частицы в ядре атома. Заряд равен +1. Число протонов определяет, к какому элементу принадлежит атом: у водорода один протон, у углерода — шесть, у железа — 26. Это число называется атомным номером [10] и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.
Нейтроны
Нейтроны — электрически нейтральные частицы в ядре. По массе почти не отличаются от протонов, заряда не несут. Число нейтронов у атомов одного элемента может различаться — такие разновидности называются изотопами [11].
Электроны
Электроны — отрицательно заряженные частицы, обращающиеся вокруг ядра. Заряд равен −1, масса в 1 836 раз меньше [12] массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Если атом теряет или приобретает электроны, он становится ионом [13].
Атомное ядро
Ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточено более 99,9% его массы. Состоит из протонов и нейтронов — вместе их называют нуклонами [14], заряд равен числу протонов. Они отталкиваются друг от друга, но ядро удерживается благодаря сильному ядерному взаимодействию [15].
Схема строения атома
Электроны в атоме не летают хаотично — они располагаются на определенных энергетических уровнях [16], которые можно представить как оболочки, одна внутри другой. Сначала заполняется ближайшая к ядру оболочка, затем — следующие. Порядок заполнения подчиняется определенным правилам, и у тяжелых элементов он не всегда строго последовательный.
На схемах это изображают в виде концентрических окружностей вокруг ядра, точками обозначают электроны. У гелия на единственной оболочке два электрона, у углерода — два на первой и четыре на второй. Каждая оболочка вмещает ограниченное число электронов: первая — не больше 2, вторая — до 8, третья — до 18.