Строеж на атома: от какво се състои атомът

Атомът е най-малката частица на химичен елемент, която запазва неговите свойства. Устройството му е по-просто, отколкото изглежда — само две „части“:

• Ядро — центърът на атома. В него живеят два вида частици: положителни протони и неутрални неутрони. Ядрото е невъобразимо малко — около 100 000 пъти по-малко от самия атом, — но именно в него е съсредоточена над 99,9% от масата му.
• Електронна обвивка — цялото останало пространство на атома, където около ядрото се движат леки отрицателни електрони.

Ако увеличим атома до размерите на стадион, ядрото ще бъде колкото грахово зърно в центъра на терена, а всичко останало ще бъде „почти празната“ електронна обвивка.

Всички атоми във Вселената са изградени само от три вида частици — различават се само по техния брой. Удобно е да сравняваме частиците по три признака: заряд, маса и „място на пребиваване“.

Протонът и неутронът са почти еднакви по маса — около 1 а.е.м. (атомна единица за маса). Електронът е по-лек от тях около 1836 пъти, затова неговата маса при изчисления се пренебрегва. Зарядите на протона и електрона са равни по големина и противоположни по знак: докато в атома има толкова протони, колкото и електрони, той е електрически неутрален.

Съставът на всеки атом се описва с две числа:

• Зарядово число Z — броят на протоните в ядрото. Това е поредният номер на елемента в Менделеевата таблица: №1 — водород (1 протон), №8 — кислород (8 протона), №79 — злато (79 протона). Затова в планетарния модел на атома броят на протоните в ядрото е равен на броя на електроните: атомът е неутрален и на всеки протон съответства точно един електрон.
• Масово число A — общият брой частици в ядрото: \(A = Z + N\), където N е броят на неутроните. Оттук идва основната работна формула за училищните задачи: \(N = A - Z\).

Съставът на атома се записва така: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Например, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — хлор, който има 17 протона и 35 − 17 = 18 неутрона. Паметката по-долу съдържа целия алгоритъм в три реда.

Електроните не летят около ядрото хаотично: те са разположени на енергийни нива (обвивки). Колкото по-далеч е нивото от ядрото, толкова повече електрони побира — максимумът се изчислява по формулата \(2n^2\):

• 1-во ниво — не повече от 2 електрона;
• 2-ро ниво — не повече от 8;
• 3-то ниво — не повече от 18;
• 4-то ниво — не повече от 32.

Нивата се запълват по ред, от най-близкото към по-далечните. Например, при кислорода (Z = 8) електроните се разпределят като 2, 6; при натрия (Z = 11) — 2, 8, 1; при хлора (Z = 17) — 2, 8, 7. Електроните от външното ниво се наричат валентни — именно те участват в химичните реакции и определят свойствата на елемента.

Броят на нивата също се подсказва от Менделеевата таблица: той е равен на номера на периода, в който се намира елементът. В по-горните класове нивата допълнително се делят на поднива s, p, d, f и се записват електронни конфигурации — например, при кислорода 1s²2s²2p⁴.

Броят на протоните в един елемент не може да се променя: добавете протон в ядрото и ще получите друг елемент. Но броят на неутроните може да варира. Изотопите са атоми на един и същ елемент с еднакъв Z, но различен брой неутрони, а следователно и различно масово число A.

Класически пример е водородът и неговите три изотопа: протий \(^{1}_{1}\text{H}\) (няма неутрони), деутерий \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 неутрон) и тритий \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 неутрона). Химически изотопите са почти неразличими: в реакциите главна роля играят електроните, а техният брой при изотопите е еднакъв.

Именно заради изотопите атомните маси в Менделеевата таблица са дробни числа: това е среднопретеглена стойност за всички природни изотопи на елемента. При хлора например тя е 35,45 — защото природният хлор се състои от смес от хлор-35 и хлор-37.

Думата „атом“ произлиза от гръцкото atomos — „неделим“: така го е представял Демокрит, а в началото на XIX век Дж. Далтон изгражда първата научна теория върху идеята за неделимия атом. Но откритията в края на XIX и началото на XX век показват: атомът има вътрешен строеж.

• 1897 — модел на Томсън („пудинг със стафиди“). Дж. Томсън открива електрона и предполага, че електроните са вградени в положително заредена „среда“, като стафиди в пудинг.
• 1911 — планетарен модел на Ръдърфорд. Бомбардирайки златно фолио с α-частици, Ъ. Ръдърфорд открива, че почти цялата маса и целият положителен заряд са концентрирани в миниатюрно ядро, а електроните се въртят около него като планети около Слънцето.
• 1913 — модел на Бор. Нилс Бор уточнява: електроните се движат не по произволни, а по строго определени орбити с фиксирана енергия — така се появяват енергийните нива.
• 1920-те — квантово-механичен модел. Съвременната физика описва електрона не като топче на орбита, а като електронен облак — област от пространството, където електронът може да бъде открит с определена вероятност.

Планетарният модел с нива (като на схемата по-горе) се използва в училищната химия и до днес: за преброяване на частиците и разпределяне на електроните неговата точност е напълно достатъчна.