Строение атома
Атом состоит из очень малого ядра и окружающего его квантово-механического электронного облака. В ядре находятся протоны и нейтроны, а электроны нельзя представлять как маленькие планеты на определённых классических орбитах. Атомный номер, массовое число и заряд иона описывают разные свойства и должны различаться.
Наглядная модель
Интерактивная модель
Протоны, нейтроны и электроны
Протон имеет заряд +e и находится в ядре. Число протонов равно атомному номеру Z и определяет химический элемент: изменение Z означает превращение в другой элемент. Нейтрон не имеет суммарного электрического заряда и вместе с протонами создаёт почти всю массу атома.
Электрон имеет заряд −e и массу примерно в 1836 раз меньше массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Изменение числа электронов образует ион, числа нейтронов — изотоп, а числа протонов — другой элемент.
Атомный номер, массовое число и заряд
Массовое число A равно числу нуклонов в ядре: A = Z + N, где N — число нейтронов. Для ²³Na при Z = 11 получаем N = 23 − 11 = 12. Массовое число всегда целое и не равно средней атомной массе из периодической таблицы.
Заряд иона в единицах элементарного заряда определяется разностью q/e = Z − nₑ. Ион Al³⁺ содержит 13 протонов и 10 электронов, а Cl⁻ — 17 протонов и 18 электронов.
Масштабы ядра и атома
Характерный размер атома имеет порядок 10⁻¹⁰ м, тогда как размер ядра — около 10⁻¹⁵ м. По радиусу ядро в десятки тысяч раз меньше атома, хотя в нём сосредоточена почти вся масса.
В опытах Резерфорда большинство альфа-частиц проходило через тонкую металлическую фольгу почти без отклонения, но небольшая доля рассеивалась на большие углы. Это показало, что положительный заряд и масса сосредоточены в очень малом ядре.
Электрон — не частица на классической орбите
Состояние электрона в атоме описывается волновой функцией. Орбиталь — квантовое состояние и пространственное распределение вероятности результатов измерения, а не фиксированная траектория вокруг ядра.
Размер электронного облака определяет химический размер атома. В обычных химических реакциях ядро почти всегда остаётся неизменным; меняются распределение электронов, связи и степень ионизации.
Взаимодействия и экспериментальные доказательства
Положительно заряженные протоны электромагнитно отталкиваются, поэтому связывание нуклонов в ядре требует короткодействующего сильного взаимодействия. Связывание электронов с положительным ядром, напротив, в основном электромагнитное.
Современная модель атома подтверждается несколькими независимыми методами. Рассеяние выявляет компактное ядро, спектроскопия — квантованные энергии, масс-спектрометрия — изотопы, а фотоэлектронная спектроскопия — энергии связи электронов.
Задачи
Натрий-23
Сколько нейтронов содержит ядро ²³Na при Z = 11?
Решение: N = A − Z = 23 − 11 = 12 нейтронов.
Хлорид-ион
Сколько электронов в Cl⁻, если Z хлора равно 17?
Решение: Отрицательный единичный заряд означает один дополнительный электрон: nₑ = 18.
Масштаб
Почему ядро трудно показать на рисунке атома в истинном масштабе?
Решение: Размер атома около 10⁻¹⁰ м, ядра около 10⁻¹⁵ м; в реальном масштабе ядро было бы почти невидимо.