Будова атома
Атом складається з дуже малого ядра та квантово-механічної електронної хмари навколо нього. У ядрі містяться протони й нейтрони, а електрони не слід уявляти як маленькі планети на визначених класичних орбітах. Атомний номер, масове число та заряд йона описують різні властивості й мають чітко розрізнятися.
Наочна модель
Інтерактивна модель
Протони, нейтрони та електрони
Протон має заряд +e і міститься в ядрі. Кількість протонів дорівнює атомному номеру Z та визначає хімічний елемент: зміна Z означає перетворення на інший елемент. Нейтрон не має сумарного електричного заряду й разом із протонами створює майже всю масу атома.
Електрон має заряд −e і масу приблизно у 1836 разів меншу за масу протона. У нейтральному атомі число електронів дорівнює числу протонів. Зміна кількості електронів утворює йон, нейтронів — ізотоп, а протонів — інший елемент.
Атомний номер, масове число та заряд
Масове число A дорівнює кількості нуклонів у ядрі: A = Z + N, де N — число нейтронів. Для ²³Na при Z = 11 маємо N = 23 − 11 = 12. Масове число завжди ціле й не є тим самим, що середня атомна маса в періодичній таблиці.
Заряд йона в одиницях елементарного заряду визначається різницею q/e = Z − nₑ. Йон Al³⁺ містить 13 протонів і 10 електронів, а Cl⁻ — 17 протонів і 18 електронів.
Масштаби ядра й атома
Характерний розмір атома має порядок 10⁻¹⁰ м, тоді як розмір ядра — близько 10⁻¹⁵ м. За радіусом ядро в десятки тисяч разів менше атома, хоча в ньому зосереджена майже вся маса.
У дослідах Резерфорда більшість альфа-частинок проходила крізь тонку металеву фольгу майже без відхилення, але невелика частка розсіювалася на великі кути. Це показало, що позитивний заряд і маса зосереджені в дуже малому ядрі.
Електрон не рухається класичною орбітою
Стан електрона в атомі описує хвильова функція. Орбіталь — це квантовий стан і просторовий розподіл імовірності результатів вимірювання, а не фіксована траєкторія навколо ядра.
Просторовий розмір електронної хмари значною мірою визначає хімічний розмір атома. У звичайних хімічних реакціях ядро майже завжди залишається незмінним; змінюються розподіл електронів, зв’язки та ступінь йонізації.
Взаємодії та експериментальні докази
Позитивно заряджені протони електромагнітно відштовхуються, тому зв’язування нуклонів у ядрі потребує короткодійної сильної взаємодії. Зв’язування електронів із позитивним ядром, навпаки, переважно електромагнітне.
Сучасну модель атома підтверджують кілька незалежних методів. Розсіювання виявляє компактне ядро, спектроскопія — квантовані енергії, мас-спектрометрія — ізотопи, а фотоелектронна спектроскопія — енергії зв’язування електронів.
Вправи
Натрій-23
Скільки нейтронів містить ядро ²³Na при Z = 11?
Розв’язання: N = A − Z = 23 − 11 = 12 нейтронів.
Хлорид-іон
Скільки електронів у Cl⁻, якщо Z хлору дорівнює 17?
Розв’язання: Від’ємний одиничний заряд означає один додатковий електрон: nₑ = 18.
Масштаб
Чому ядро складно показати на рисунку атома в істинному масштабі?
Розв’язання: Розмір атома близько 10⁻¹⁰ м, ядра — близько 10⁻¹⁵ м; у реальному масштабі ядро було б майже невидимим.