§ 6. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне й нуклонне числа

ПЕРШІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця XIX ст. панувала думка про те, що атом не можна поділити на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так. Радіоактивністю називають самочинний розпад атомних ядер з випромінюванням радіоактивних частинок й утворенням нових ядер.

Зазначені відкриття спонукали вчених до створення моделей будови атома.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 15) розробив Джозеф Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив електрони (е) у складі атома.

Мал. 15. Модель будови атома Томсона (червона куля заряджена позитивно)

За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об’ємі кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому електронейтральний. Маса атома теж рівномірно розподілена в цьому об’ємі.

Модель Томсона проіснувала в науці недовго. Через кілька років її спростував англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі результатів власних експериментальних досліджень. Пропускаючи прямолінійно потік позитивно заряджених частинок з масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, не відхиляючись від прямолінійної траєкторії, деякі частинки відхиляються під певними невеликими кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 від загальної кількості частинок змінюють напрямок руху на майже протилежний (мал. 16).

Мал. 16. Відбивання позитивно зарядженої частинки від ядра

Поведінку однієї з десяти тисяч частинок у цьому досліді вчений пояснив таким чином. Оскільки частинки мали позитивний заряд, то відштовхувати (відкидати назад) їх могли інші частинки — також позитивно заряджені. Однойменні заряди, як вам відомо, відштовхуються. Такі результати досліду поставили під сумнів модель Томсона, бо доводили, що більшість атомного простору не заряджена позитивно, а позитивний заряд сконцентрований в одному місці й займає дуже малий об’єм. На цій підставі зроблено висновок, що атоми складаються з позитивно зарядженої серцевини — ядра, та негативно заряджених частинок — електронів, розміщених за його межами. У 1911 р. Ернест Резерфорд запропонував нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.

ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За планетарною моделлю весь позитивний заряд і майже всю масу атома (99,4 %) зосереджено в атомному ядрі. Розмір ядра надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атома. Навколо ядра коловими або еліптичними орбітами, як планети навколо Сонця (звідси походить назва моделі), безупинно рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома.

Заряд електрона — найменший з усіх відомих зарядів (докладніше про це ви дізнаєтесь на уроках фізики), його абсолютним значенням користуються вкрай рідко. Здебільшого використовують умовний заряд -1. Позитивний заряд ядра дорівнює сумарному негативному заряду електронів, тому атом є електронейтральним (заряд атома дорівнює нулю) (мал. 17).

Мал. 17. Модель атома Резерфорда

Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.

У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони (р) — позитивно заряджені частинки, що містяться в ядрі й зумовлюють його позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, хоча в порівнянні з масою електрона маса протона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +1.

Сьогодні вчені, студенти й учні знають, що, крім протонів, до складу ядра входять нейтрони. Теоретичне припущення про наявність нейтронів у ядрі висловив у 1932 р. фізик Дмитро Дмитрович Іваненко. У 1933 р. він виголосив доповідь про протонно-нейтронну структуру ядра атома, у якій спирався на те, що в ядрі є частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів й електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їхня назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка було підтверджено дослідами англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974). У 1935 р. Д. Чедвіка було удостоєно за це Нобелівської премії.

Сторінка ерудита

Дмитро Дмитрович Іваненко (1904-1994) — видатний фізик-теоретик, який зробив фундаментальний внесок у розвиток багатьох розділів ядерної фізики, теорії поля та теорії гравітації. Блискучий викладач кількох закладів вищої освіти СРСР, зокрема й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав за те, що першим (у віці 27 років!) на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтронну модель атомного ядра.

Народився вчений 29 липня 1904 р. в Полтаві в сім’ї редактора та вчительки. У 1920 р. закінчив гімназію в Полтаві, де його жартома називали «професором». Першу вищу освіту здобув на фізико-математичному факультеті Полтавського педагогічного інституту, у 1923-1927 рр. навчався в Ленінграді. У 30-ті роки — науковий співробітник Фізико-математичного інституту АН СРСР, завідувач теоретичного відділу Українського фізико-технічного інституту в Харкові, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту, професор Харківського університету. У 1940 р. захистив докторську дисертацію на тему «Основи теорії ядерних сил» і продовжував займатись теоретичною фізикою, а також очолив кафедру теоретичної фізики в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. З 1943 р. й до останніх років свого життя — професор фізичного факультету Московського державного університету (МДУ) імені М. В. Ломоносова.

Наукові заслуги вченого високо оцінили нобелевські лауреати: Поль Дірак, Хідекі Юкава, Нільс Бор, Ілля Пригожин, Семюел Тінг, які після спілкування з ним залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Дмитра Дмитровича Іваненка на фізичному факультеті МДУ імені М. В. Ломоносова.

Попрацюйте групами

Сестра Дмитра Дмитровича Іваненка Оксана Іваненко (1906-1997) — відома українська письменниця.

Пригадайте, які з її творів — оповідання, повісті або літературні казки — вам відомі (вивчали у школі). У вільну хвилину поцікавтеся більше її творчістю, поділіться враженнями від прочитаного з однокласниками.

Вивчення будови атома в 30-х роках XX ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони й протони містяться в атомному ядрі й визначають масу атома.

Так сформувалися сучасні погляди на склад і будову атома. Узагальнимо їх.

СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА СКЛАД І БУДОВУ АТОМА. Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. До складу ядра входять: позитивно заряджені протони, незаряджені (нейтральні) нейтрони. Негативно заряджені електрони формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати 1 ₊₁p, нейтрони — 1 ₀n, електрони — 0 _-1e (мал. 18). Сумарний заряд протонів дорівнює сумарному заряду електронів.

Мал. 18. Сучасна модель і схема будови атома

Усі складові атома мають надзвичайно малу масу, до того ж маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона, тоді як маса електрона в 1836 разів менша від маси протона. Оскільки в науці масу протона й нейтрона прийнято за 1, то маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складники вміщено в таблиці 5.

Складники атома

Частинка та її розміщення в атомі

Відносна маса (а.о.м.)

Абсолютна маса, кг

Заряд (в одиницях елементарного заряду)

Скільки протонів, нейтронів і електронів в атомі?

Кроки для визначення числа протонів, нейтронів і електронів

Періодична таблиця впорядковує елементи за кількістю протонів у їхніх атомах. Ендрю Брукс/Corbis/Getty Images

• Хімія
  • Молекули
  • основи
  • Хімічні закони
  • Періодична таблиця
  • Проекти та експерименти
  • Науковий метод
  • Біохімія
  • Фізична хімія
  • Медична хімія
  • Хімія в повсякденному житті
  • Відомі хіміки
  • Діяльність для дітей
  • Скорочення та акроніми

  Три частини атома – це позитивно заряджені протони, негативно заряджені електрони та нейтральні нейтрони. Виконайте ці прості кроки, щоб знайти кількість протонів, нейтронів і електронів для атома будь-якого елемента.

  Ключові висновки: кількість протонів, нейтронів і електронів

  • Атоми складаються з протонів, нейтронів і електронів.
  • Протони несуть позитивну електричну зміну, тоді як електрони заряджені негативно, а нейтрони нейтральні.
  • У нейтрального атома однакова кількість протонів і електронів (заряди гасять один одного).
  • Іон має неоднакову кількість протонів і електронів. Якщо заряд позитивний, то протонів більше, ніж електронів. Якщо заряд негативний, то електрони в надлишку.
  • Ви можете знайти кількість нейтронів, якщо знаєте ізотоп атома. Просто відніміть кількість протонів (атомний номер) із масового числа, щоб знайти решту нейтронів.

  Отримайте основну інформацію про елементи

  Вам потрібно буде зібрати базову інформацію про елементи, щоб знайти кількість протонів, нейтронів і електронів. На щастя, все, що вам потрібно, це періодична таблиця .

  Для будь-якого атома вам потрібно пам’ятати:

  Кількість протонів = атомний номер елемента

  Кількість електронів = кількість протонів

  Кількість нейтронів = масове число – атомний номер

  Знайдіть число протонів

  Кожен елемент визначається кількістю протонів, які містяться в кожному з його атомів. Незалежно від того, скільки електронів або нейтронів має атом, елемент визначається кількістю протонів. Насправді цілком можливо мати атом, який складається лише з протона (іонізованого водню). Періодична таблиця розташована в порядку зростання атомного номера , тому число протонів є номером елемента. Для водню число протонів дорівнює 1. Для цинку число протонів дорівнює 30. Елементом атома з 2 протонами завжди є гелій.

  Якщо вам задано атомну вагу атома, вам потрібно відняти кількість нейтронів, щоб отримати кількість протонів. Іноді ви можете визначити елементну ідентичність зразка, якщо все, що у вас є, це атомна вага. Наприклад, якщо у вас є зразок з атомною вагою 2, ви можете бути майже впевнені, що елемент є воднем. чому Легко отримати атом водню з одним протоном і одним нейтроном (дейтерій), але ви не знайдете атом гелію з атомною вагою 2, тому що це означало б, що атом гелію мав два протони і нуль нейтронів!

  Якщо атомна маса дорівнює 4,001, ви можете бути впевнені, що це атом гелію з 2 протонами та 2 нейтронами. Атомна вага ближче до 5 викликає більше проблем. Це літій з 3 протонами і 2 нейтронами? Це берилій з 4 протонами і 1 нейтроном? Якщо вам не сказали назву елемента чи його атомний номер, важко дізнатися правильну відповідь.

  Знайдіть число електронів

  Для нейтрального атома кількість електронів дорівнює кількості протонів.

  Часто кількість протонів і електронів не однакова, тому атом несе сумарний позитивний або негативний заряд. Ви можете визначити кількість електронів в іоні , якщо знаєте його заряд. Катіон несе позитивний заряд і має більше протонів, ніж електронів. Аніон несе негативний заряд і містить більше електронів, ніж протонів. Нейтрони не мають сумарного електричного заряду, тому кількість нейтронів не має значення при обчисленні. Кількість протонів в атомі не може змінитися внаслідок жодної хімічної реакції, тому ви додаєте або віднімаєте електрони, щоб отримати правильний заряд. Якщо іон має заряд 2+, як Zn 2+ , це означає, що протонів на два більше, ніж електронів.

  Якщо іон має заряд 1 (просто пишеться з мінусовим індексом), то електронів більше, ніж протонів. Для F – кількість протонів (з періодичної таблиці) дорівнює 9, а кількість електронів дорівнює:

  Знайдіть число нейтронів

  Щоб знайти кількість нейтронів в атомі, потрібно знайти масове число кожного елемента. У періодичній таблиці вказано атомну вагу кожного елемента, за якою можна знайти масове число. Для водню, наприклад, атомна вага дорівнює 1,008. Кожен атом має ціле число нейтронів, але періодична таблиця дає десяткове значення, оскільки це середньозважене число нейтронів в ізотопах кожного елемента. Отже, що вам потрібно зробити, це округлити атомну вагу до найближчого цілого числа, щоб отримати масове число для ваших розрахунків. Для водню 1,008 ближче до 1, ніж до 2, тому назвемо його 1.

  Кількість нейтронів = Масове число – Кількість протонів = 1 – 1 = 0

  Для цинку атомна вага становить 65,39, тому масове число найближче до 65.

  Кількість нейтронів = 65 – 30 = 35