Физики получили детальное изображение ядра внутри атома

Строение атома: триединство частиц

Итак, структура атома складывается из волшебного триединства микрочастиц: протонов, нейтронов и электронов. При этом каждая из микрочастиц универсальна. То есть, не найти на свете двух разных протонов, нейтронов или электронов. Все они абсолютно друг на друга похожи. И свойства атома будут зависеть только от количественного состава этих микрочастиц в общем строении атома.

Например, структура атома водорода состоит из одного протона и одного электрона. Следующий по сложности, атом гелия состоит из двух протонов, двух нейтронов и двух электронов. Атом лития — из трех протонов, четырех нейтронов и трех электронов и т. д.

Структура атомов (слева направо): атом водорода, гелия, лития

Атомы соединяются в молекулы, а молекулы — в вещества, минералы и организмы. Молекула ДНК, являющаяся основой всего живого – структура, собранная из тех же трех волшебных кирпичиков мироздания, что и камень, лежащий на дороге. Хотя эта структура и намного более сложная.

Еще более удивительные факты открываются тогда, когда мы пытаемся поближе рассмотреть пропорции и строение атома. Известно, что атом состоит из ядра и электронов, двигающихся вокруг него по траектории, описывающей сферу. То есть это даже нельзя назвать движением в обычном понимании этого слова. Электрон скорее находится везде и сразу в пределах этой сферы, создавая вокруг ядра электронное облако и формируя электромагнитное поле.

Разные изображения строения атома

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и в нем сосредоточена почти вся масса системы. Но при этом, ядро атома настолько мало, что если увеличить его радиус до масштаба в 1 см, то радиус всей структуры атома достигнет сотни метров. Таким образом, все, что мы воспринимаем как плотную материю, более чем на 99% состоит из одних только энергетических связей между физическими частицами и менее чем 1% — из самих физических форм.

Но что представляют собой эти физические формы? Из чего они состоят, и насколько они материальны? Чтобы ответить на эти вопросы, давайте подробнее рассмотрим структуры протонов, нейтронов и электронов. Итак, мы спускаемся еще на одну ступеньку в глубины микромира – на уровень субатомных частиц.

«Проскок» электрона.

Кроме этого, у некоторых элементов наблюдается эффект “проскока” электрона. Появление такого эффекта можно объяснить возрастанием устойчивости у полностью или наполовину заполненных подуровней (s1 или s2,d5 или d10 и т.д.).  Если электронная конфигурация атома близка к устойчивой, то электрон стремясь занять более выгодное по энергии положение, проскакивает на формируемый уровень с внешнего уровня. Такой эффект нужно учитывать при записи электронных конфигураций атома хрома, меди, золота, серебра, платины и некоторых других элементов.

Электронная конфигурация хрома с учётом «проскока» электрона

О химических элементах и атомах

Все вокруг нас в мире состоит из веществ различного химического состава. Это совокупность молекул, состоящих из отдельных людей. Человек — это базовое понятие в химии, позволяющее нам понять структуру химических веществ и их свойства.

Индивидуумы и молекулы часто путают, но у обоих понятий есть строгие определения, которые объясняют различия. Молекула — это наименьшая частица материи, которая обладает свойствами материи и существует самостоятельно. Например, если литр воды прольется на несколько миллилитров, это будет все та же молекула воды. Он сохраняет известные нам свойства, такие как текучесть и способность растворять сахар.

Это частицы, которые невозможно химически разделить. Вместе они образуют молекулы. Молекула воды (H2O) содержит три человека: два атома водорода и один атом кислорода. Объединившись, они образуют ту сущность, которую мы знаем.

А что такое электрический ток?

Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Все металлы очень хорошо проводят ток

Это отличительное свойство металлов, на которое ученые давно обратили внимание. Сегодня в кристаллической решетке металла мы умеем организовывать организованное течение мириадов элементарных частичек под названием электроны

Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии. Уйму тока дают!

Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое характеризуется… чем? Ясно, чем характеризуется масса. Инертностью! Чем массивнее тело, тем труднее его разгонять. Попробовали потолкать – ого! тяжеленное! А заряд как обнаружить?

А заряд проявляет себя тем, что он притягивается к другому заряду – противоположному.

Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то да и все. Обозначают положительный заряд знаком плюс – «+», а отрицательный знаком минус – «-». Эти знаки вы тыщу раз видели на разных батарейках. А если не видели, сходите да посмотрите. Мне кажется, лучше всего попробовать выломать батарейку из папиных часов с помощью молотка и отвертки.

Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.

Притяжение и отталкивание электрических зарядов.

Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.

Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.

Ядро атома

Орешки фундука явно вы видели. В середине ореха находится большое ядро, занимающее почти всю массу ореха, оставляя малое пространство между скорлупой.

Ядро атома элемента имеет в составе протоны и нейтроны, которые принято называть нуклонами.

Данные частицы не относятся к элементарным, научно доказано, что они состоят с кварков (в словарь). Нейтроны в ядре атома не несут никакого заряда, они нейтральны. Протоны в ядре атома определяют его заряд.

Сумма протонов и нейтронов составляет массовое число ядра атома (нуклонное).

Вы наверняка замечали, что значение Ar в ПСХЭ имеет вид не целого числа, с чем это связано? Причина кроется в том, что химические элементы существуют в виде изотопов.

Чтобы понять суть этого понятия, давайте вспомним, чем особенный каждый элемент? Заряд ядра атома постоянен, другими словами, неизменимое количество протонов. Значит, это будет разновидность элементов, которые будут отличаться нуклонным числом, и как следствие, количеством нейтронов.

Именно по причине существования изотопов, Ar не имеет целого числового значения. Например, количество изотопов хлора – 2.

Масса изотопов и их процентное содержание составляют относительную массу элемента.

Возможно, вы ранее замечали, что в ПСХЭ есть пара элементов, которые нарушают порядок размещения по увеличению относительной атомной массы. Это пары K – Ar, Co – Ni, Te – I.

Некоторые изотопы отличаются особенной способностью самовольно превращаться в другие элементы – это явление носит название радиоактивность, а сами элементы – радиоактивные. Таким образом, они делятся на стабильные и радиоактивные изотопы.

Изотопы элементов после Висмута в ПСХЭ, начиная с 84, будут относиться к радиоактивным элементам.

В ходе распада радиоактивного изотопа образуются новые элементы, также могут выделяться частицы α (ядра атома ), β – это поток электронов ( , γ – это поток электромагнитных нейтральных частиц – фотонов.

Периодичность свойств элементов. Электроотрицательность

С развитием учения о строении атома, периодический закон занимает ещё больше значимое место в естествознании. Уже неоднократно говорилось, что ПСХЭ является уникальной подсказкой. Достаточно знать расположение и строение электронных оболочек атомов элементов, и возникает возможность судить о том, какими характеристиками он будет обладать. В настоящее время периодический закон имеет формулировку, данную Менделеевым, с небольшим уточнением.

За то, какими свойствами будет наделён элемент, отвечают электроны, которые размещены на внешнем энергетическом уровне. Их ещё называют валентные электроны атома, именно они отвечают за периодическое изменение свойств элементов.

С увеличением массы атома в пределах периода, количество электронов также возрастает, пока не заполнятся все вакантные ячейки уровня.

В ходе химической реакции происходит «движение» электронов. Т.е. одни элементы будут отдавать их, а вторые принимать.

При образовании химических связей, каждый атом стремится «к совершенству», т.е. завершить энергетический уровень. Такой уровень имеют благородные газы ns2np6. А остальным чтобы получить данную конфигурацию необходимо отдать, либо принять электроны.

Рассмотрим на примере, образования вещества NaCl.

Отдав свой один электрон с внешнего 3s-уровня, атом Натрия образует ион Na+, по своей электронной конфигурации аналогичный Неону. Хлор принимая электрон, образует ион Cl− – принимая электронную конфигурацию Аргона.

Обобщая данный пример, сделаем вывод, элементы, которые содержат малое количество электронов на внешнем уровне (1 – 3) будут только отдавать электроны – и они будут относиться к металлам. Неметаллы характеризуются способностью принимать электроны.

Из определения сделаем вывод, что наибольшую электроотрицательность имеет Фтор (F), нет ни одного элемента, кому бы он смог отдать свой электрон, а будет только забирать. Минимальную ЭО будет иметь Франций (Fr).

Ещё одна важная причина изменения свойств элементов, которая изменяется периодически, это радиус атома. Если ЭО характеризует неметаллы, то по радиусу судят о металлических свойствах. Металлы легко отдают электроны, чем дальше они находятся от ядра, тем легче «отрываются». Радиус атома с увеличением заряда ядра в периоде уменьшается, так как ядро начинает сильнее притягивать электроны.

 

Строение[править | править код]

Субатомные частицыправить | править код

Основная статья: Субатомные частицы

Хотя слово атом в первоначальном значении обозначало частицу, которая не делится на меньшие части, согласно научным представлениям он состоит из более мелких частиц, называемых субатомными частицами. Атом состоит из электронов, протонов, все атомы, кроме водорода-1, содержат также нейтроны.

Электрон является самой лёгкой из составляющих атом частиц с массой 9,11×10−28г, отрицательным зарядом и размером, слишком малым для измерения современными методами. Протоны обладают положительным зарядом и в 1836 раз тяжелее электрона (1,6726×10−24 г). Нейтроны не обладают электрическим зарядом и в 1839 раз тяжелее электрона (1,6929×10−24 г).
При этом масса ядра меньше суммы масс составляющих её протонов и нейтронов из-за эффекта дефекта массы. Нейтроны и протоны имеют сравнимый размер, около 2,5×10−15м, хотя размеры этих частиц определены плохо.

В стандартной модели элементарных частиц как протоны, так и нейтроны состоят из элементарных частиц, называемых кварками. Наряду с лептонами, кварки являются одной из основных составляющих материи. И первые и вторые являются фермионами. Существует шесть типов кварков, каждый из которых имеет дробный электрический заряд, равный +2⁄₃ или −1⁄₃ элементарного. Протоны состоят из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Это различие объясняет разницу в массах и зарядах протона и нейтрона. Кварки связаны между собой сильными ядерными взаимодействиями, которые передаются глюонами.

Электронное облакоправить | править код

Основная статья: Орбиталь

Термин «электронное облако» не совсем корректен с точки зрения квантовой механики, поэтому вместо него физики чаще всего говорят об «облаке вероятности».

Электроны в атоме притягиваются к протонам, находящимся в ядре, под действием электромагнитных сил. Эти силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо передать энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако представляют собой часть потенциального барьера, в которой электронам соответствуют трёхмерные стоячие волны, не изменяющие своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, квадрат которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей, и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях, так как они являются наиболее устойчивыми.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

Базовая модель атома и атомная теория

Все вещества состоят из частиц, называемых атомами. Атомы связываются друг с другом, образуя элементы, и содержат только один вид атома.

Атомы различных элементов образуют соединения, молекулы и объекты.

Атом — это строительный блок материи, который нельзя разбить на части с помощью каких-либо химических средств.

Ядерные реакции могут изменить атомы.

Три части атома — это протоны (положительно заряженные), нейтроны (нейтральный заряд) и электроны (отрицательно заряженные).

Протоны и нейтроны образуют атомное ядро.

Электроны притягиваются к протонам в ядре, но движутся так быстро, что падают к нему (орбите), а не прилипают к протонам.

Идентичность атома определяется его числом протонов. Это также называется его атомным номером.

Части Атома

Атомы состоят из трех частей:

Протоны: протоны являются основой атомов. В то время как атом может получать или терять нейтроны и электроны, его идентичность связана с числом протонов. Символом числа протонов является заглавная буква Z.

Нейтроны: число нейтронов в атоме обозначается буквой N. Атомная масса атома является суммой его протонов и нейтронов или Z + N. Сильная ядерная сила связывает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро атом.

Электроны: электроны намного меньше протонов или нейтронов и вращаются вокруг них.

Основные характеристики атомов:

Атомы не могут быть разделены с помощью химических веществ. Они состоят из частей, которые включают протоны, нейтроны и электроны, но атом является основным химическим строительным материалом материи. Ядерные реакции, такие как радиоактивный распад и деление, могут разрушать атомы.

Каждый электрон имеет отрицательный электрический заряд.

Каждый протон имеет положительный электрический заряд. Заряд протона и электрона равен по величине, но противоположен по знаку. Электроны и протоны электрически притягиваются друг к другу. Как заряды (протоны и протоны, электроны и электроны) отталкиваются друг от друга.

Каждый нейтрон электрически нейтрален; иными словами, нейтроны не имеют заряда и не притягиваются электрически ни к электронам, ни к протонам.

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковые размеры и намного больше электронов. Масса протона по существу такая же, как у нейтрона.

Масса протона в 1840 (!) раз больше массы электрона.

Ядро атома содержит протоны и нейтроны. Ядро несет положительный электрический заряд.

Электроны движутся вне ядра; они организованы в оболочки, которые являются областью наиболее вероятного их местонахождения.

Простые модели показывают, что электроны вращаются вокруг ядра по почти круговой орбите, подобно планетам, вращающимся вокруг звезды, но реальное поведение намного сложнее.

Некоторые электронные оболочки напоминают сферы, но другие больше похожи на тупые колокольчики или другие формы.

Технически, электрон может быть найден в любом месте в пределах атома, но проводит большую часть своего времени в области, описываемой орбиталью.

Электроны также могут перемещаться между орбиталями.

Атомы очень маленькие. Средний размер атома составляет около 100 пикометров или одну десятитысячную часть метра.

Почти вся масса атома находится в его ядре; почти весь объем атома занят электронами.

Количество протонов (также известно как его атомный номер) определяет элемент.

Изменение количества нейтронов приводит к образованию изотопов. Изменение числа электронов приводит к образованию ионов. Изотопы и ионы атома с постоянным числом протонов — это вариации одного элемента.

Частицы внутри атома связаны друг с другом мощными силами.

В общем, электроны легче добавлять или удалять из атома, чем протон или нейтрон.

Химические реакции в основном включают атомы или группы атомов и взаимодействия между их электронами.

Немного истории

Греческий философ Аристотель (384 г. до н.э. – 322 г. до н.э.) пытался объяснить состав всей материи из элементов: земли, воздуха, огня и воды. Демокрит (546 г. до н.э. — 460 г. до н.э.) был греческим ученым и математиком, который выдвинул идею о том, что размер частиц ограничен. По его словам, эти частицы становятся настолько маленькими, что их уже невозможно разделить. Он назвал такие частицы «атомами».

На протяжении большей части XNUMX-го века именно модель атома британского ученого Дальтона предложила атомную теорию, которая была далеко за пределами мышления древних в то время.

Эта теория гласит, что Вся материя состоит из крошечных неделимых частиц, называемых атомами. Недавние исследования показали, что атомы состоят из других мелких частиц, называемых субатомными частицами.

Исторически сложилось так, что различные атомные теории о составе вещества были разработаны до того, как были получены современные знания об атомной структуре. Основываясь на атомной теории, Ученые демонстрировали постепенно развивающиеся модели атомов.

Первая модель, предложенная Джоном Дальтоном, превратилась в модель атома Нильса Бора. Бор предложил модель, очень похожую на текущую модель электронов, вращающихся вокруг ядра.

Опыты Резерфорда

Верна ли модель Томсона? Как на самом деле распределяются положительные и отрицательные нагрузки внутри человека? Ответы на эти вопросы требуют проведения экспериментов внутри людей. Протеже Томсона, знаменитый британский физик Эрнест Резерфорд, предложил ему атаковать людей частицами высокой энергии и быть атакованным, чтобы увидеть, как они отвлекаются от положительной нагрузки человека. -Что такое томаты? Эти потоки частиц, известные как «альфа-лучи», были обнаружены во время радиоактивного расщепления (радио) некоторых элементов. Тщательные исследования, снова проведенные Резерфордом, показали, что каждый -бацинол имеет положительный заряд, равный удвоенному заряду электрона, и что масса в один раз больше массы электрона. Другими словами, было доказано, что -бакоматид является полностью ионизированным (безэлектронным) солнечным стеклом.

Резерфорд — который говорил о боссах как о солнечных ионах — теперь мы знаем, что это солнечные очки.

Но в то время они ничего не знали об отдельных ядрах — только Резерфорд рассчитал их и увидел результаты своего знаменитого эксперимента!

Энергия -тела очень высока — достаточно сказать, что скорость убегания от радиоактивного образца равна скорости света. Поэтому было интересно исследовать, какие углы отклоняют такие сильные «ракеты», если рассматривать их в отношении человека, а точнее, в отношении положительной нагрузки.

Пучки частиц направлялись к тончайшим золотым листам. Как гласит история, Резерфорд не сомневался, что угол отклонения должен быть очень мал. При такой большой энергии частицы должны проходить сквозь листья, как ножи для масла. По всей вероятности, просто чтобы «очистить сознание», он попросил учеников проверить, не разошлись ли боди в большие рога.

Каково же было удивление, когда такие частицы были найдены! Да, как и следовало ожидать, подавляющее большинство — хлорсодержащие вещества — были проигнорированы. Однако очень небольшая их часть (не более нескольких тысяч частиц или меньше) была вытянута под большим углом (рис. 2).

Рисунок.

Эти отклонения казались совершенно невероятными. По словам Резерфорда, они выглядели как артиллерийские снаряды, которые попали в лист бумаги и вернулись обратно во время удара.

А «бумагой» в сравнении Резерфорда был человек, помещенный в соответствии с моделью Томпсона. Действительно, предположим, что положительная нагрузка индивида «выливается» на всего человека, т.е. на область радиуса. Эта положительная нагрузка создает электрическое поле, которое тормозит и отводит частицы. Возможность того, что это поле находится рядом с человеком:.

Однако расчеты показывают, что такое поле очень слабое — тормозящего воздействия недостаточно, чтобы остановить и отскочить частицу!

Таким образом, наличие тел, сброшенных с фольги, опровергает модель Томсона. Что было предложено вместо этого?

Электронная конфигурация атома.

Для записи схемы заполнения уровней и подуровней электронами используют электронную конфигурацию. 

        Электронная конфигурация — распределение электронов по орбиталям. Для верной её записи используют ряд правил.

Принцип наименьшей энергии: Согласно этому правилу электроны заполняют орбитали в порядке увеличения их энергии Т.е. электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с наименьшей энергией.

Энергия орбиталей

Принцип Паули: на каждой орбитали может находиться не более двух электронов с противоположными спинами

Правило Хунда: наиболее устойчивое состояние атома то, при котором в пределах одного подуровня атом обладает максимально возможным числом неспаренных электронов. Такое наиболее устойчивое состояние атома называется основным состоянием.

Строение атома

Великие ученые и философы древности упорно бились над вопросом, из чего же состоят вещества, которые их окружают. Впервые идею о том, что все тела живой и неживой природы состоят из мельчайших частиц — атомов — высказал древнегреческий ученый Демокрит целых 2500 лет назад! 

Что же из себя представляет атом?

Атом — это мельчайшая химически неделимая частица вещества.

Атомы могут соединяться друг с другом с помощью химических связей в различной последовательности, образуя более сложные частицы — молекулы. Можно провести аналогию: 

• атом — отдельный человек, 
• молекулы — группы людей, объединенные общим признаком (семья, одноклассники, коллеги, любители кошек, любители собак).

Молекула — это мельчайшие частицы, которые состоят из атомов. Они являются химически делимыми.

Долгое время считалось, что атом нельзя разделить далее на составляющие. Но с развитием науки учёные-физики выяснили, что атом состоит из более мелких, или элементарных частиц  — протонов (p), нейтронов (n) и электронов (ē). 

В центре атома располагается ядро, которое состоит из протонов и нейтронов (их общее название нуклоны), а вокруг ядра вращаются электроны.

Чем атом похож на Солнечную систему?Можно представить атом как Солнечную систему, где вокруг ядра (Солнца) по орбитам вращаются электроны (планеты). Это так называемая планетарная модель атома. В реальности атом намного сложнее, но для запоминания нам удобнее пользоваться этими представлениями.

Тогда более точно определение атома будет звучать так:

Атом — электронейтральная химически неделимая частица, которая состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов.

Каждая из элементарных частиц в атоме имеет свой заряд и массу:

Наглядная запись

Теперь возьмём для примера какой-нибудь химический элемент. Например, калий. В таблице Менделеева он имеет запись K и его можно найти под номером 19. Значит, у него имеется 19 электронов, которые нужно расфасовать по орбиталям в указанном порядке. Делаем это.

Сначала идёт уровень 1s. Подуровень s может содержать только 2 электрона. Число электронов записывается в виде маленького индекса над буквой. В данном случае это будет 1s2.

Следом по порядку идёт 2s. Тоже s и тоже только 2 электрона. 2s2 .

Дальше 2p. Смотрим, сколько электронов может содержать уровень p. 2p6.

Теперь снова возвращаемся на подуровень s, который опять-таки включает в себя всего лишь 2 электрона. 3s2 .

12 уже упорядочено. Осталось 7. И следующий уровень — 3p6.

Остался всего один электрон, который нужно разместить на следующем s-подуровне. В результате на нём остаётся одно свободное место — всего частиц может быть 2, но мы располагаем только одну оставшуюся. А записывается это как 4s1.

В одну строчку это всё записывается следующим образом: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1.

Важно учитывать, что это электронная конфигурация для основного состояния атома. В Периодической системе элементов у атомов тоже указаны исключительно те их свойства, которыми они обладают в своём основном состоянии

Но также они могут пребывать и в возбуждённом состоянии. Это происходит при сообщении им дополнительной энергии. Тогда электроны с положенных им орбиталей будут перескакивать на другие и запись будет несколько иной.

Понятие атом. Состав ядра атома.

Наиболее важным понятием в химии является понятие атома. Из атомов образуются молекулы, а их структура определяет химические и физические свойства различных соединений. 

        Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая в процессе химических реакций не изменяется. 

Но атом составляют частицы еще меньшего размеры: протонов, электронов и нейтронов. Данные частицы имеют различный заряд, так протоны заряжены положительно, электроны — отрицательно, а нейтроны не заряжены вовсе. В процессе становлении теории о строении атома выдвигались различные модели, которые демонстрировали расположение частиц в атоме. Одной из наиболее наглядных и простых для понимания моделей оказалась планетарная модель атома Резерфорда.

Планетарная модель атома Резерфорда

Опираясь на данную модель атом состоит из положительно заряженного ядра, в которое в свою очередь помещены протоны и нейтроны. Ядро окружено орбиталями, по которым в свою очередь двигаются электроны. Вся основная масса атома сосредоточена в его ядре, а вращающиеся электроны практически не вносят изменение в суммарную массу атома.  Сумма протонов и нейтронов формируют атомную массу(массовое число).

Атом является электронейтральной частицей, то есть суммарный заряд на атоме равен нулю. Порядковый номер элемента в Периодической системе определяет число протонов и электронов в атоме.  А число нейтронов можем вычислить как разность между массовым числом A и числом протонов Z.

Представление Томсона

В 1897 году британский исследователь Джозеф Томсон сделал устройство, которое позволяло проводить измерение отклонений катодных лучей в электрическом поле. Прибор включал стеклянную трубку и 2 электрода – анод и катод. С другой стороны трубку покрывало флуоресцирующее вещество. За счет этого она светилась под влиянием катодных лучей. Этот эксперимент дал возможность изучить строение частиц, которые входят в состав таких лучей.

Томсону удалось доказать, что в структуре катодных лучей присутствуют частицы с отрицательным зарядом, которые почти не имеют массы. Они получили название электронов. Впоследствии при помощи аналогичного устройства удалось открыть и другие частицы. Физик назвал их протонами. Их масса в 1823 раза превышала электроны. Они имели такое же значение заряда, но с положительным знаком.

Таким образом, английскому физику удалось обнаружить 2 частицы, которые входили в состав атома. К тому же он мог создавать его различные модели. Помимо этого, исследователь первым предположил, что в структуру атома входят элементарные частицы – электроны и протоны.

Томсон утверждал, что атом – это положительно заряженная сфера, которая имеет вкрапления электронов, имеющих отрицательный заряд. Другие ученые назвали его модель «сливовый пудинг», хотя она напоминала и булку с изюмом или арбуз с семечками.

Метод электронной птихографии

Следующим шагом на пути к наблюдению атомной структуры стало изобретение ученых из Корнельского университета, которым удалось построить мощный детектор и установить мировой рекорд, утроив разрешение современного электронного микроскопа. Работа опубликована в научном журнале Science.

Этот инструмент представляет собой детектор пиксельной матрицы электронного микроскопа (EMPAD) со встроенными алгоритмами 3D-реконструкции, который смог уловить тепловое колебание атомов и получить их новое изображение в трех измерениях. До 2021 года все прошлые попытки представить и изучить отдельные атомы сводились к размытым изображениям.

Перед вами электронная птихографическая реконструкция кристалла ортоскандата празеодима (PrScO3), увеличенная в 100 миллионов раз.

Полученное в результате работы изображение стало возможным благодаря методу под название электронная птихография (ptychography) – сканирующая техника получения изображений объектов, крайне малых размеров, таких как электроны и рентгеновское излучение.

Что он из себя представляет?

Вопрос о том, как представить модель атома, уже давно занимает ученых. Сегодня принята та из них, которую предложил Э. Резерфорд и доработал Н. Бор. По ней атом разделяется на две части: ядро и электронное облако.

Большая часть массы атома сосредоточена в его центре. Ядро состоит из нейтронов и протонов. А электроны в атоме расположены на достаточно большом удалении от центра. Получается нечто похожее на Солнечную систему. В центре, как Солнце, ядро, и вокруг него вращаются электроны по своим орбиталям, как планеты. Именно поэтому модель часто называют планетарной.

Интересно, что ядро и электроны занимают очень малое пространство по сравнению с общими размерами атома. Получается, что в центре маленькое ядро. Потом пустота. Очень большая пустота. И потом узкая полоска маленьких электронов.

К такой модели атомов ученые пришли не сразу. До этого было выдвинуто множество предположений, которые были опровергнуты опытами.

Одной из таких идей было представление атома в виде сплошного тела, которое имеет положительный заряд. А электроны в атоме предлагалось разместить по всему этому телу. Такую идею выдвигал Дж. Томсон. Его модель атома еще называлась «Пудинг с изюмом». Уж очень модель напоминала это блюдо.

Но она была несостоятельна, потому что не могла объяснить некоторых свойств атома. Поэтому ее отвергли.

Японский ученый Х. Нагаока на вопрос, что такое атом, предлагал такую модель. По его мнению, эта частица имеет отдаленное сходство с планетой Сатурн. В центре ядро, а электроны вращаются вокруг него по орбитам, связанным в кольцо. Несмотря на то, что модель не была принята, некоторые ее положения были использованы в планетарной схеме.