О строении вещества простым языком

Сергей Валериевич Гермаковский, 2023

Перед вами книга, объединяющая физику и химию. Прочитав ее, вы узнаете, как устроена материя и почему вещества обладают разными свойствами. Мы выйдем за рамки школьной программы, чтобы найти истину. Вы узнаете, что такое квантовая механика и как она объясняет строение всего. Вы поймете, как устроены вещества на микроуровне и как это влияет на их свойства. Несмотря на сложность тем, информация изложена просто и понятно.

Исторические модели атома

Чтобы понимать, как устроен атом, нужно рассмотреть историю его открытия.

Термин «Атом» был введен Демокритом еще во времена античности. Название этой частицы происходит от греческого слова «Атомос», что означает «Неделимый».

Античные философы считали атом неделимой частицей. Это мнение опровергли в конце IX — начале ХХ века.

В конце IX века открыли явление фотоэффекта — испускания частиц (электронов) веществом под действием света. Оказалось, что атом состоит из других частиц, а значит он делимый.

Кроме фотоэффекта в конце IX века была открыта радиоактивность — самопроизвольное испускание частиц и лучей некоторыми атомами. Вывод тот же: атом делимый.

Открытие электронов

В 1749 году Бенджамин Франклин выдвинул гипотезу, что электрический ток — это поток заряженных частиц. В его работах впервые появляются понятия положительных и отрицательных зарядов, батарей, частиц электричества и т.д.

Научное сообщество скептически относилось к существованию электронов. Чтобы развеять этот миф, нужно было провести опыты, доказывающие существование электронов. Для этого нужно было отделить отрицательно заряженные электроны от атомов. Атомы, которые лишились электрона и приобрели положительный заряд стали называть ионами.

Впервые провести такой эксперимент удалось случайно немецкому физику Юлиусу Плюккеру в 1859 году. Он сконструировал установку. В вакуумной трубке по оба конца впаяны проводники — электроды. если к ним приложить электрическое напряжение произойдет интересное явление. От отрицательно заряженного электрода (катода) к положительно заряженному (аноду) будет протекать электрический ток. При этом анод и часть вакуумной трубки вокруг него начинают светиться.

Вакуумная трубка с катодом и анодом

Немецкие ученные Иоганн Гитторф и Эуген Гольдштейн провели такой же опыт и назвали это излучение катодными лучами. В этом же году на основе этого явления была сконструирована первая электронно-лучевая трубка.

В 1874 году английский химик и физик Уильям Крукс выдвинул идею, что катодные лучи — поток отрицательно заряженных частиц. Термин"электрон"был введен ирланским физиком и математиком Джорджем Стони.

В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что катодные лучи откланяются электрическим полем. Он измерил массу и заряд этих частиц — электронов.

Опыт Милликена — Иоффе

Опыт Милликена — важный эксперимент по открытию заряду электрона.

В 1909 году Роберт Милликен построил установку. Установка состоит из камеры, в которой находится две металлические пластины, над которыми пульверизатор распылял машинное масло в нутри камеры. В камере появлялся масляной туман.

Схема опыта Милликена

В верхней пластине было отверстие, через которое некоторые капли проникали в пространство между пластинами. Милликен наблюдал за каплями с помощью микроскопа. Под действием силы тяжести капли опускались на дно камеры.

Камеру облучали радиоактивными лучами и капли масла приобретали электрический заряд.

Если на пластины подавать напряжение, между ними возникает электрическое поле. Заряженные капли масла реагировали на возникшее электрическое поле и снижали свою скорость.

Используя разность этих скоростей Милликен рассчитал заряд этих капель. Для разных капель были получены разные значения. Наименьшее из этих значений минус 1,6 × 10^-19 Кл (Кулон). Заряды остальных капель кратны этому наименьшему заряду. Милликен подтвердил делимость (дискретность) электрического заряда и рассчитал элементарный заряд.

Первая модель атома

Уже было известно, что атом содержит отрицательные электроны, но сам атом не имеет заряда. Объяснить это противоречие можно было тем, что сумма отрицательных зарядов уравновешивается положительным зарядом.

На основании этого предположения Джозеф Джон Томсон в 1904 г. предложил первую модель атома"Булка с изюмом".

Согласно этой модели, атом — положительно заряженная часть пространства с включенными в нее отрицательно заряженными электронами. Эта модель внешне напоминает булку с изюмом поэтому и получила соответствующее название.

Эта модель существовала до 1911 г. пока ее беспощадно не опроверг британский физик Эрнест Резерфорд.

Опыты Резерфорда

В 1899 — 1903 гг. Эрнест Резерфорд, изучая радиоактивность α-частиц, провел революционный опыт.

Возьмем радий, как источник радиоактивных лучей (-частиц) и люминесцирующий экран. Если поставить экран напротив радиоактивного источника, то в микроскоп видно, что на нем появляются святящиеся точки. В местах попадания радиоактивного излучения на люминесцирующий экран, он светится.

Если между радиоактивным источником и экраном закрепить золотую фольгу, то произойдет интересное явление. С потоком частиц произйдет следующее:

— часть лучей изменят траекторию движения незначительно;

— часть лучей сильно изменит траекторию своего движения;

— небольшая часть лучей практически не изменит свой путь;

— очень малая часть отразится в обратном направлении.

Опыт Резерфорда

Резерфорд сделал вывод, что внутри атома находится тяжелое положительно заряженное ядро.

α-частицы легкие и тоже заряжены положительно, поэтому сталкиваясь с ядром они от него отталкиваются. По законам электростатики одноименные заряды отталкиваются.

Если α-частица напрямую сталкивается с ядром, она отталкивается и летит в обратную сторону. Если α-частица пролетает очень близко к ядру, она меняет свою траекторию примерно на 90°. Чем дальше α-частица пролетает от ядра, тем меньше угол ее отклонения. Некоторые α-частицы пролетают настолько далеко от ядра, что они практически друг на друга не влияют. Резерфорд сделал вывод, что ядро занимает малу долю объема атома.

Вывод Резерфорда

В 1911 г. Эрнест Резерфорд представил Планетарную модель атома.

Планетарная модель атома

Планетарная модель атома строится на нескольких положениях. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Электроны движутся вокруг ядра по орбитам, как планеты вокруг Солнца. Электроны удерживаются на орбитах благодаря электростатическим силам: отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру.

Планетарная модель атома

Более 99% массы атома сосредоточено в его ядре. Масса электронов настолько мала, что ею пренебрегают. Диаметр ядра в 100 000 раз меньше диаметра атома. Если радиус ядра принять 1 см, то радиус атома составит 1 км.

Резерфорд рассчитал диаметр ядра опираясь на общее число — частиц и долю тех, которые отклонились на определенные углы, По расчётам физика, ядро имеет диаметр порядка 10^-14 м. Чтобы представить размер атома, представьте 1 мм поделенный на 100 частей и каждую часть, поделите еще на миллион.

Современная модель строения атома

Планетарная модель атома оказала существенный вклад в науку, но с развитием изучения строения атома оказалась, что эта модель не жизнеспособна. На смену ей пришли другие модели атомов, которые опираются на квантовую физику.

Состав атома

Ядро состоит из положительно заряженных протонов и нейтрально заряженных нейтронов. Эти частицы называют нуклонами от латинского nucleus — ядро.

Количество протонов и электронов одинаковое. Поскольку протоны и электроны заряжены противоположно их заряды компенсируют друг друга. Атом не имеет заряда. Нейтроны не влияют на заряд атома, но придают ему дополнительную массу.

Состав атома

Массы атомов

Массы атомов и молекул имеют значения порядка 10^-27 кг.

На практике использовать такие маленькие значения не удобно, поэтому используют относительные атомные массы измеряемые в атомных единицах массы, сокращенно а.е.м.

1 а.е.м. — ¹⁄₁₂ массы атома углерода.

1 а.е.м. = 1,66 × 10^-24 г = 1,66 × 10^-27 кг.

Найти массу того или иного атома можно в Периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева. Значения относительных атомных масс (A_r) измеряются в а.е.м.

Чтобы узнать абсолютную массу атома в кг нужно его относительную атомную массу умножить на 1 а.е.м.

m_a(элемента) = Ar(элемента) × 1,66 × 10^-27

Рассчитаем массу атома железа.

m_a (Fe) = 55,845 × 1,66 × 10^-27 = 9,27 × 10^-26 кг.

Ядра атомов

Виды ядер, с определенным числом протонов и нейтронов называют нуклидами.

Состав ядер часто выражают верхними и нижними индексами с левой стороны символа элемента. Верхний индекс — массовое число — обозначает массу ядра. Нижний индекс — зарядовое число — обозначает заряд ядра.

Обозначение состава ядра

Такая запись ядра атома углерода говорит, что масса его ядра 12, а заряд — 6.

Значения массовых и зарядовых чисел можно найти в Периодической системе химических элементов. Зарядовое число — это порядковый номер элемента.

Поскольку относительный заряд протона +1, то зарядовое число совпадает с количеством протонов:

.

Атом — электронейтральная частица. Электронейтральность возможна, если сумма отрицательных и сумма положительных зарядов равны между собой. Поскольку электрон и протон заряжены одинаково и отличаются только по знаку, то количество протонов равно количеству электронов:

.

Масса электрона настолько мала, что ею можно пренебречь. Относительная атомная масса примерно равна массе ядра. Массовое число — относительная атомная масса (). Поскольку масса протона и нейтрона примерно равны, количество нейтронов можно найти вычитанием зарядового числа из массового числа:

.

Заряд ядра — главная характеристика атома, отличающая его от других атомов. Планетарная модель атома позволяет рассчитать заряд ядра по формуле:

,

где, — зарядовое число;

— элементарный заряд, = 1,6022⋅10⁻¹⁹ Кл.

Благодаря разнообразию наборов элементарных частиц существуют всевозможные химические элементы: Н, О, N, S, P, Si, Fe, Au и другие. На данный момент открыто 118 химических элементов.

Дефект масс и энергия связи ядра

Ядро состоит из протонов и нейтронов. Оба вида частиц имеют массу. Если сложить массы протонов и нейтронов в ядре, мы должны получить массу ядра. Но нет. Масса ядра всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в его состав. Этот феномен называют дефектом масс.

Дефект масс — разница между реальной массой ядра атома и суммой масс протонов и нейтронов, входящих в состав этого ядра.

Дефект масс можно рассчитать с помощью формулы:

,

где — дефект масс;

— количество протонов;

— масса протона;

— количество нейтронов;

— масса нейтрона;

— реальная масса ядра.

и есть разница масс ядра атома и суммы образующих его частиц.

Куда исчезает недостающая масса? Никуда. Миром правят несколько фундаментальных законов. Два из них — закон сохранения массы и закон сохранения энергии.

Масса и энергия связаны соотношением:

,

где — энергия;

— масса;

— скорость света, 300 000 000 м/с.

Недостающая масса никуда не исчезает, а переходит в энергию. Протоны и нейтроны связаны между собой энергией связи ядра.

Энергия связи ядра — энергия, необходимая, чтобы разрушить ядро атома и разделить его на отдельные частицы.

Чтобы частицы удерживались вместе нужна энергия. Энергия ниоткуда не берется и никуда не исчезает. Чтобы появилась энергия, нужно отдать часть массы. Именно в энергию связи ядра и переходит та часть массы. Дефект масс — мера энергии связи ядра, поэтому энергию связи можно найти по формуле:

.

Дефект масс провялятся не только внутри атомного ядра, но и в других система, где объекты связаны между собой какой-то силой, то есть везде. Большинство систем настолько велики, что дефект масс не ощутим, но ядро атома — очень маленькая частица. Именно из-за микроскопичности ядер, дефект масс оказывает существенное влияние на его массу.

Изотопы

Количество протонов определяет заряд атома. Заряд атома определяет каким химическим элементом будет этот атом.

Количество электронов равно количеству протонов. Равное количество этих частиц компенсирует их заряд до нуля, поэтому атом электронейтрален.

Количество нейтронов не влияет на заряд, а только придает атому дополнительную массу. Если меняется количество нейтронов, то заряд атома все равно остается нейтральным. Поскольку изменение количества нейтронов не повлияет на заряд ядра, этот атом останется тем же химическим элементом. Отличатся будет только масса этих атомов. Такие атомы называют изотопами.

Изотопы — разновидности атомов одного химического элемента, имеющих одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов.

Почти все химические элементы имеют изотопы и существуют как смесь этих изотопов с разными долями.

Изотопы атома водорода

Самый распространенный в природе изотоп водорода — протий (¹Н). Его доля — 99,984%. Он состоит из 1 протона и 1 электрона. Нейтронов в его составе нет. Из всех изветных атомов, Протий — самый легкий и простой по строению. Он стабилен и не радиоактивен.

Протий — изотоп водорода, входящий в состав питьевой воды — Н₂О. Питьевая вода — жидкость без цвета, вкуса и запаха. Вода входит в состав живых организмов и необходима для их существования.

Второй изотоп водорода — дейтерий (²Н или D). Его распространенность в природе 0,0156%. Дейтерий состоит из 1 протона, 1 нейтрона и 1 электрона. Он стабилен и не радиоактивен. Дейтерий и его соединения применяют в химических исследованиях состава веществ. Дейтерий используют в ядерной энергетике.

По аналогии с протием дейтерий образует молекулу воды D₂О. Такую воду называют тяжелой водой. Внешне она похожа на обычную воду: не имеет цвета и запаха, но имеет сладковатый вкус. Тяжелая вода находится в водоемах, но ее содержание порядка миллионных долей процента. Тяжелая вода немного токсична. Малое количество вреда не принесет, но при длительном употреблении возможна гибель организма. Тяжелую воду используют в ядерных реакторах, в качестве изотопного индикатора.

Следующий изотоп водорода — тритий (³Н или Т). В отличие от предыдущих он радиоактивен. На Земле Тритий практически не встречается и образуется в верхних слоях атмосферы. Тритий состоит из 1 протона, 2 нейтронов и 1 электрона. Этот изотоп используется в химии, биологии, геологии, в экспериментах ядерной физики. Именно этот изотоп Водорода используют для производства водородной бомбы.

По аналогии с предыдущими изотопами, Тритий образует воду Т₂О. Воду такого состава называют сверхтяжелой. Тритиевая вода радиоактивна. По остальным свойствам она похожа на обычную воду.

Дождь и снег содержат тритиевую воду. Сверхтяжелая вода образуется в атмосфере благодаря Солнечному излучению и работе электростанций.

Кроме рассмотренных изотопов, водород имеет еще 4 изотопа: ⁴Н, ⁵Н, ⁶Н, ⁷Н. Они радиоактивны и получены искусственным путем.

Относительная атомная масса

Относительная атомная масса элемента определяется суммой масс протонов и нейтронов. Вклад электронов в массу атома ничтожен и им пренебрегают.

В Периодической системе химических элементов приведена дробная относительная атомная масса, хотя относительные массы частиц и их сумма целые числа. Разберем почему так.

Большинство элементов в природе существуют в виде смеси изотопов. Массовая доля этих изотопов различна. Чаще всего преобладает изотоп с определённой массой, а доля остальных мала.

Чтобы не приводить атомные массы и доли всех изотопов принято записывать усредненную величину.

Разберем пример. Относительная атомная масса хлора (Cl) равна 35,453 35,5. Газообразный хлор содержит в основном изотопы 2 видов: 25% атомов с массой 37 и 75% атомов с массой 35.

Найдем среднее значение:

(Cl) = 37 × 25% + 35 × 75% = 35,5.

По аналогии рассчитаны относительные атомные массы остальных элементов.

Ионы

Протонов и электронов в атоме равное количество. Благодаря этому атом электронейтральная частица.

Атомы металлов склонны отдавать электроны, находящиеся на внешних уровнях. Атомы неметаллов склонны принимать электроны. Это фундаментальное различие атомов металлов и неметаллов. Это различие обуславливает многие химические и физические свойства элементов и их простых веществ.

Если прибавить или отнять один или более электронов, атом приобретет заряд. Такие частицы называют ионами.

Ион — атом, который отдал или принял один или несколько электронов.

Если атом принимает электроны, то электронов становится больше, чем протонов. Общий отрицательный заряд становится больше, чем общий положительный и частица приобретает отрицательный заряд. Отрицательно заряженные ионы называют анионами.

Если атом отдает электроны, то электронов становится меньше, чем протонов. Общий отрицательный заряд становится меньше, чем общий положительный и частица приобретает положительный заряд. Положительно заряженные ионы называют катионами.

Схема образования ионов

Заряд иона обозначают верхним правым индексом. Примеры анионов: Cl^-, F^-, S^2-. Примеры катионов: Na⁺, Ca²⁺, Al³⁺.

В самостоятельном виде ионы встречаются во всех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.

Некоторые твердые вещества состоят из ионов, например пищевая соль NaCl. Соль состоит из поочередно расположенных ионов Na⁺ и Сl^-.

Атом превращается в ион, когда он получает дополнительную энергию. Атомы внешних уровней поглощают эту энергию и получают способность пересилить притяжение ядра и оторваться от него.

Энергию, которую нужно затратить, чтобы оторвать электрон от атома называют энергией ионизации.

Энергию ионизации измеряют в кДж/моль или эВ/атом. 1 эВ (электронвольт) равен 1,6·10^–19 Дж.

Электроны находятся на разных расстояниях от ядра. Электроны, расположенные на одинаковом расстоянии от ядра, имеют одинаковую энергию.

При образовании ионов отрываются электроны внешних слоев.

Внешние электроны находятся в не удобном положении:

1. Между ними и ядром находятся другие уровни электронов, которые отталкивают их от ядра. Это называют"эффект экранирования". Этот эффект ослабляет связь электронов с ядром.

2. Внешние электроны хотят уменьшить свою энергию и занят положение ближе к ядру. Они стремятся внутрь атома. Это называют"эффект проникновения". Этот эффект усиливает связь электронов с ядром.

Влияние обоих эффектов и определяют величину энергии ионизации атомов.

Если сильно нагреть газ, то его атомы, могут образовать ионы. Образуется ионизированный газ, который называют плазмой. Плазму относят к четвертому агрегатному состоянию вещества.

Конец ознакомительного фрагмента.