Строение атома: из чего состоит атом

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. Устроен он проще, чем кажется, — всего две «детали»:

• Ядро — центр атома. В нём живут два вида частиц: положительные протоны и нейтральные нейтроны. Ядро невообразимо мало — примерно в 100 000 раз меньше самого атома, — но именно в нём сосредоточено более 99,9% массы.
• Электронная оболочка — всё остальное пространство атома, где вокруг ядра движутся лёгкие отрицательные электроны.

Если увеличить атом до размеров стадиона, ядро окажется горошиной в центре поля — всё остальное занимает «почти пустая» электронная оболочка.

Все атомы Вселенной собраны всего из трёх видов частиц — различаются лишь их количества. Сравнивать частицы удобно по трём признакам: заряд, масса и «место жительства».

Протон и нейтрон почти одинаковы по массе — примерно по 1 а.е.м. (атомной единице массы). Электрон легче их примерно в 1836 раз, поэтому его массой при подсчётах пренебрегают. А вот заряды протона и электрона равны по величине и противоположны по знаку: пока в атоме протонов столько же, сколько электронов, он электрически нейтрален.

Состав любого атома описывают два числа:

• Зарядовое число Z — количество протонов в ядре. Это и есть порядковый номер элемента в таблице Менделеева: №1 — водород (1 протон), №8 — кислород (8 протонов), №79 — золото (79 протонов). Поэтому в планетарной модели атома число протонов в ядре равно числу электронов: атом нейтрален, и на каждый протон приходится ровно один электрон.
• Массовое число A — общее число частиц в ядре: \(A = Z + N\), где N — число нейтронов. Отсюда главная рабочая формула школьных задач: \(N = A - Z\).

Записывают состав атома так: \(^{A}_{Z}\text{X}\). Например, \(^{35}_{17}\text{Cl}\) — хлор, у которого 17 протонов и 35 − 17 = 18 нейтронов. Памятка ниже — весь алгоритм в три строки.

Электроны не летают вокруг ядра как попало: они располагаются на энергетических уровнях (оболочках). Чем дальше уровень от ядра, тем больше электронов он вмещает — максимум считается по формуле \(2n^2\):

• 1-й уровень — не больше 2 электронов;
• 2-й уровень — не больше 8;
• 3-й уровень — не больше 18;
• 4-й уровень — не больше 32.

Заполняются уровни по порядку, от ближнего к дальнему. Например, у кислорода (Z = 8) электроны расселяются как 2, 6; у натрия (Z = 11) — 2, 8, 1; у хлора (Z = 17) — 2, 8, 7. Электроны внешнего уровня называют валентными — именно они участвуют в химических реакциях и определяют свойства элемента.

Число уровней тоже подсказывает таблица Менделеева: оно равно номеру периода, в котором стоит элемент. В старших классах уровни дополнительно делят на подуровни s, p, d, f и записывают электронные конфигурации — например, у кислорода 1s²2s²2p⁴.

Число протонов у элемента изменить нельзя: добавь в ядро протон — и получится уже другой элемент. А вот нейтронов может быть по-разному. Изотопы — это атомы одного элемента с одинаковым Z, но разным числом нейтронов, а значит, и разным массовым числом A.

Классический пример — водород и его три изотопа: протий \(^{1}_{1}\text{H}\) (нейтронов нет совсем), дейтерий \(^{2}_{1}\text{H}\) (1 нейтрон) и тритий \(^{3}_{1}\text{H}\) (2 нейтрона). Химически изотопы почти неотличимы: в реакциях главную роль играют электроны, а их у изотопов поровну.

Именно из-за изотопов атомные массы в таблице Менделеева дробные: это средневзвешенное по всем природным изотопам элемента. У хлора, например, 35,45 — потому что природный хлор состоит из смеси хлора-35 и хлора-37.

Слово «атом» происходит от греческого atomos — «неделимый»: так его представлял ещё Демокрит, а в начале XIX века Дж. Дальтон построил на идее неделимого атома первую научную теорию. Но открытия рубежа XIX–XX веков показали: у атома есть внутреннее строение.

• 1897 — модель Томсона («пудинг с изюмом»). Дж. Томсон открыл электрон и предположил, что электроны вкраплены в положительно заряженную «среду», как изюм в пудинг.
• 1911 — планетарная модель Резерфорда. Обстреливая золотую фольгу α-частицами, Э. Резерфорд обнаружил, что почти вся масса и весь положительный заряд сжаты в крошечном ядре, а электроны обращаются вокруг него, как планеты вокруг Солнца.
• 1913 — модель Бора. Нильс Бор уточнил: электроны движутся не по любым, а по строго определённым орбитам с фиксированной энергией — так появились энергетические уровни.
• 1920-е — квантово-механическая модель. Современная физика описывает электрон не как шарик на орбите, а как электронное облако — область пространства, где электрон можно обнаружить с той или иной вероятностью.

Планетарную модель с уровнями (как на схеме выше) школьная химия использует до сих пор: для подсчёта частиц и расселения электронов её точности вполне хватает.