Структурата на атомите — елементарни частици на материята, електрони, протони, неутрони
Всички физически тела в природата са изградени от вид материя, наречена материя. Веществата се разделят на две основни групи — прости и сложни вещества.
Сложните вещества са тези вещества, които чрез химични реакции могат да се разложат на други, по -прости вещества. За разлика от сложните, простите вещества са тези, които не могат да се разложат химически до още по -прости вещества.
Пример за сложно вещество е водата, която чрез химична реакция може да се разложи на две други, по -прости вещества — водород и кислород. Що се отнася до последните две, те вече не могат да се разлагат химически на по -прости вещества и следователно са прости вещества или, с други думи, химически елементи.
През първата половина на 19 век в науката съществува предположение, че химичните елементи са непроменени вещества, които нямат обща връзка помежду си. Въпреки това руският учен Д. И. Менделеев (1834 — 1907) за първи път през 1869 г. разкрива връзката на химичните елементи, показвайки, че качествената характеристика на всеки от тях зависи от неговата количествена характеристика — атомно тегло.
Изучавайки свойствата на химичните елементи, Д. И. Менделеев забелязва, че техните свойства периодично се повтарят в зависимост от атомното им тегло. Той показа тази периодичност под формата на таблица, която влезе в науката под името „Периодичната таблица на елементите на Менделеев“.
По -долу е съвременната периодична таблица на химичните елементи на Менделеев.
Атоми
Според съвременните научни концепции всеки химичен елемент се състои от съвкупност от най -малките материални (материални) частици, наречени атоми.
Атомът е най -малката фракция от химичен елемент, която вече не може да се разлага химически на други, по -малки и по -прости материални частици.
Атомите на химически елементи с различна природа се различават един от друг по своите физико-химични свойства, структура, размер, маса, атомно тегло, собствена енергия и някои други свойства. Например водородният атом се различава рязко по своите свойства и структура от кислородния атом, а последният от атома на урана и т.н.
Установено е, че атомите на химичните елементи са изключително малки по размер. Ако условно приемем, че атомите имат сферична форма, тогава техните диаметри трябва да са равни на стомилионни части от сантиметър. Например диаметърът на водороден атом — най -малкият атом в природата — е стомилионна част от сантиметъра (10-8 cm), а диаметърът на най -големите атоми, например атома на уран, не надвишава триста милионни от сантиметър (3 · 10-8 см). Следователно, водородният атом е толкова пъти по -малък от топката с радиус един сантиметър, колкото последният е по -малък от земното кълбо.
Поради много малкия размер на атомите, тяхната маса също е много малка. Например, масата на водороден атом е m = 1,67· 10-24 Това означава, че един грам водород съдържа около 6 ·1023 атоми.
За конвенционалната мерна единица на атомните тегла на химичните елементи се взема 1/16 от теглото на кислородния атом. В съответствие с това атомно тегло на химически елемент се извиква абстрактно число, показващо колко пъти теглото на даден химичен елемент е повече от 1/16 от теглото на кислородния атом.
В периодичната таблица на елементите на Д. И. Менделеев са дадени атомните тегла на всички химични елементи (вижте номера под името на елемента). От тази таблица виждаме, че най -лекият атом е водородният атом, който има атомно тегло 1.008. Атомното тегло на въглерода е 12, кислорода е 16 и т.н.
Що се отнася до по -тежките химични елементи, тяхното атомно тегло надвишава атомното тегло на водорода с повече от двеста пъти. И така, атомният верт на живака е 200,6, радият — 226 и т.н. Колкото по -висок е редът на броя, зает от химичен елемент в периодичната таблица на елементите, толкова по -голямо е атомното тегло.
Повечето от атомните тегла на химичните елементи са изразени в дробни числа. Това до известна степен се обяснява с факта, че такива химически елементи се състоят от набор от колко вида атоми с различно тегло на атома, но със същите химични свойства.
Химичните елементи, които заемат едно число в периодичната таблица на елементите и следователно имат същите химични свойства, но с различно атомно тегло, се наричат изотопи.
Изотопите се намират в повечето химични елементи, има два изотопа, калций — четири, цинк — пет, калай — единадесет и пр. Много изотопи са получени чрез изкуство, някои от тях имат голямо практическо значение.
Елементарни частици от материята
Дълго време се смяташе, че атомите на химичните елементи са границата на делимостта на материята, тоест сякаш елементарните „градивни елементи“ на Вселената. Съвременната наука отхвърля тази хипотеза, като установява, че атомът на всеки химичен елемент е съвкупност от дори по -малки материални частици от самия атом.
Според електронната теория за структурата на материята, атомът на всеки химичен елемент е система, състояща се от централно ядро, около което се въртят «елементарни» частици на материала, наречени електрони. Ядрата на атомите, според общоприетите възгледи, се състоят от набор от «елементарни» материални частици — протони и неутрони.
За да се разбере структурата на атомите и физико -химичните процеси в тях, е необходимо поне за кратко да се запознаете с основните характеристики на елементарните частици, които изграждат атомите.
Това е определено електрон е истинска частица с най -малкия отрицателен електрически заряд, наблюдаван в природата.
Ако условно приемем, че електронът като частица има сферична форма, тогава диаметърът на електрона трябва да бъде равен на 4 ·10-13 cm, тоест той е десетки хиляди пъти по -малък от диаметъра на всеки атом.
Електронът, както всяка друга материална частица, има маса. «Масата на покой» на електрона, тоест масата, която той притежава в състояние на относителна почивка, е равна на мo = 9.1 · 10-28 Г.
Изключително малката «маса на покой» на електрона показва, че инертните свойства на електрона са изключително слаби, което означава, че електронът под въздействието на променлива електрическа сила може да се колебае в пространството с честота от много милиарди периоди в секунда.
Масата на електрона е толкова малка, че са необходими 1027 единици, за да се получи един грам електрони. За да имаме поне някаква физическа представа за това колосално голямо число, ще дадем пример. Ако един грам електрони можеше да се подреди в права линия близо един до друг, тогава те биха образували верига с дължина четири милиарда километра.
Масата на електрона, както и на всяка друга материална микрочастица, зависи от скоростта на неговото движение. Електронът, намиращ се в състояние на относителна почивка, има „маса на покой“ от механично естество, подобно на масата на всяко физическо тяло. Що се отнася до «масата на движение» на електрона, която се увеличава с нарастването на скоростта на неговото движение, той е от електромагнитен произход. Това се дължи на наличието на електромагнитно поле в движещ се електрон като вид материя с маса и електромагнитна енергия.
Колкото по -бързо се движи електронът, толкова повече се проявяват инерционните свойства на неговото електромагнитно поле, толкова по -голяма е масата на последния и съответно неговата електромагнитна енергия.Тъй като електронът с неговото електромагнитно поле представлява една единствена органично свързана материална система, естествено е масата на движение на електромагнитното поле на електрона да бъде директно приписана на самия електрон.
Електронът освен свойствата на частица има и вълнови свойства. Експериментално е установено, че потокът от електрони, подобно на светлинен поток, се разпространява под формата на вълнообразно движение. Характерът на вълновото движение на електронния поток в пространството се потвърждава от явленията на интерференция и дифракция на електронни вълни.
Електронни смущения Дали е явлението суперпозиция на електронни завещания една върху друга и електронна дифракция — това е явлението електронни вълни, огъващи се по краищата на тясна цепка, през която преминава електронният лъч. Следователно, електронът не е просто частица, а «частична вълна», чиято дължина зависи от масата и скоростта на електрона.
Установено е, че електронът, освен транслационното си движение, извършва и ротационно движение около оста си. Този тип движение на електрони се нарича «спин» (от английската дума «spin» — вретено). В резултат на това движение електронът, освен електрическите свойства, дължащи се на електрическия заряд, придобива и магнитни свойства, наподобяващи в това отношение елементарен магнит.
Протонът е реална частица с положителен електрически заряд, равен по абсолютна стойност на електрическия заряд на електрон.
Протонната маса е 1,67 ·10-24 r, тоест приблизително 1840 пъти по -голяма от «масата на покой» на електрона.
За разлика от електрон и протон, неутронът няма електрически заряд, тоест е електрически неутрална «елементарна» частица от материята. Масата на неутрона е практически равна на масата на протона.
Електроните, протоните и неутроните, които са в състава на атомите, взаимодействат помежду си. По -специално, електроните и протоните се привличат взаимно като частици с противоположни електрически заряди. В същото време електрон от електрон и протон от протон се отблъскват като частици със същите електрически заряди.
Всички тези електрически заредени частици взаимодействат чрез своите електрически полета. Тези полета са специален вид материя, състоящ се от колекция от елементарни материални частици, наречени фотони. Всеки фотон има строго определено количество енергия (енергиен квант), присъщо на него.
Взаимодействието на частици от електрически заредени материални материали се осъществява чрез обмен на фотони помежду си. Силата на взаимодействие на електрически заредени частици обикновено се нарича електрическа сила.
Неутроните и протоните в ядрата на атомите също взаимодействат помежду си. Това взаимодействие между тях обаче вече не се осъществява чрез електрическо поле, тъй като неутронът е електрически неутрална частица от материята, а чрез т.нар. ядрено поле.
Това поле също е специален вид материя, състоящ се от колекция от елементарни материални частици, наречени мезони… Взаимодействието на неутрони и протони се осъществява чрез обмен на мезони помежду си. Силата на взаимодействие на неутрони и протони помежду си се нарича ядрена сила.
Установено е, че ядрените сили действат в ядрата на атомите на изключително малки разстояния — около 10-13 см.
Ядрените сили значително надвишават електрическите сили на взаимното отблъскване на протоните в ядрото на атома. Това води до факта, че те са в състояние не само да преодолеят силите на взаимно отблъскване на протоните вътре в ядрата на атомите, но и да създадат много силни системи от ядра от съвкупността от протони и неутрони.
Стабилността на ядрото на всеки атом зависи от съотношението на две конфликтни сили — ядрена (взаимно привличане на протони и неутрони) и електрическа (взаимно отблъскване на протони).
Мощните ядрени сили, действащи в ядрата на атомите, допринасят за трансформацията на неутрони и протони един в друг. Тези взаимовръзки на неутрони и протони се извършват в резултат на освобождаването или поглъщането на по -леки елементарни частици, например мезони.
Разгледаните от нас частици се наричат елементарни, защото не се състоят от съвкупност от други, по -прости частици материя. Но в същото време не трябва да забравяме, че те са в състояние да се трансформират един в друг, да възникнат за сметка на другия. По този начин тези частици са някои сложни образувания, тоест елементарната им природа е условна.
Химическа структура на атомите
Най -простият атом в своята структура е водородният атом. Състои се от колекция от само две елементарни частици — протон и електрон. Протонът в системата на водороден атом играе ролята на централно ядро, около което електрон се върти в определена орбита. На фиг. 1 схематично показва модел на водородния атом.
Ориз. 1. Диаграма на структурата на водородния атом
Този модел е само грубо приближение към реалността. Факт е, че електронът като „вълна от частици“ няма обем, рязко разграничен от външната среда. И това означава, че трябва да се говори не за някаква точна линейна орбита на електрона, а за един вид електронен облак. В този случай електронът най -често заема някаква средна линия на облака, което е една от възможните му орбити в атома.
Трябва да се каже, че самата орбита на електрона не е строго неизменна и неподвижна в атома — той също поради промяната в масата на електрона прави известно въртеливо движение. Следователно движението на електрон в атом е сравнително сложно. Тъй като ядрото на водородния атом (протон) и електронът, въртящ се около него, имат противоположни електрически заряди, те се привличат взаимно.
Едновременно с това свободната енергия на електрона, въртейки се около ядрото на атома, развива центробежна сила, която има тенденция да го отстрани от ядрото. Следователно, електрическата сила на взаимно привличане на ядрото на атома и електрона и центробежната сила, действаща върху електрона, са противоречиви сили.
В равновесие техният електрон заема относително стабилно положение в някаква орбита в атома. Тъй като масата на електрона е много малка, тогава за да балансира силата на привличане към ядрото на атома, той трябва да се върти с огромна скорост, равна на около 6·1015 обороти в секунда. Това означава, че електрон в системата на водороден атом, както всеки друг атом, се движи по орбитата си с линейна скорост надвишаваща хиляда километра в секунда.
При нормални условия електрон се върти в атом от рода по орбитата най -близо до ядрото. В същото време той има минимално възможното количество енергия. Ако по една или друга причина, например, под въздействието на други материални частици, нахлули в атомната система, електронът се премества на орбита, която е по -отдалечена от атома, тогава той вече ще има малко по -голямо количество енергия.
Електронът обаче остава в тази нова орбита за незначително време, след което отново се завърта към орбитата, най -близка до ядрото на атома. По време на този курс той се отказва от излишната си енергия под формата на квант от магнитно излъчване — лъчиста енергия (фиг. 2).
Ориз. 2. Когато електрон преминава от далечна орбита към по -близка до ядрото на атом, той излъчва квант на лъчиста енергия
Колкото повече енергия получава електронът отвън, толкова повече се премества в орбитата, която е отдалечена от ядрото на атома, и колкото по -голямо е количеството електромагнитна енергия, което излъчва, когато се завърти към орбитата, най -близка до ядрото.
Чрез измерване на количеството енергия, излъчвано от електрона по време на прехода от различни орбити към най -близката до ядрото на атома, беше възможно да се установи, че електрон в системата на водороден атом, както в системата на всеки друг атом, не може да отиде на произволна орбита, на строго определена в съответствие с тази енергия, която получава под въздействието на външна сила. Орбитите, които електрон може да заема в атом, се наричат разрешени орбити.
Тъй като положителният заряд на ядрото на водородния атом (зарядът на протона) и отрицателният заряд на електрона са числено равни, общият им заряд е нула. Това означава, че водородният атом, намиращ се в нормалното си състояние, е електрически неутрална частица.
Това важи за атомите на всички химични елементи: атомът на всеки химичен елемент в нормално състояние е електрически неутрална частица поради численото равенство на положителните и отрицателните заряди.
Тъй като ядрото на водороден атом съдържа само една «елементарна» частица — протон, така нареченото масово число на това ядро е равно на едно. Масовото число на ядрото на атом на всеки химичен елемент е общият брой протони и неутрони, които съставляват това ядро.
Естественият водород се състои главно от колекция от атоми с масово число, равно на единица. Той обаче съдържа и друг вид водородни атоми, с масово число, равно на два. Ядрата на тези тежки водородни атоми, наречени дейтерони, са изградени от две частици — протон и неутрон. Този изотоп на водорода се нарича деутерий.
Естественият водород съдържа много малки количества деутерий. На всеки шест хиляди леки водородни атома (масово число равно на едно) има само един атом на деутерий (тежък водород). Има и друг изотоп на водорода — свръх тежък водород, наречен тритий. В ядрата на атом на този водороден изотоп има три частици: протон и два неутрона, свързани заедно от ядрени сили. Масовото число на ядрото на тритиев атом е три, тоест тритиевият атом е три пъти по -тежък от лекия водороден атом.
Въпреки че атомите на водородните изотопи имат различни маси, те все още имат едни и същи химически свойства, например лекият водород, влизайки в химическо взаимодействие с кислорода, образува с него сложно вещество — вода. По същия начин изотопът на водорода, деутерият, се комбинира с кислорода, за да образува вода, която за разлика от обикновената вода се нарича тежка вода. Тежката вода се използва широко при производството на ядрена (атомна) енергия.
Следователно химичните свойства на атомите не зависят от масата на техните ядра, а само от структурата на електронната обвивка на атома. Тъй като атомите на лекия водород, деутерий и тритий имат еднакъв брой електрони (по един за всеки атом), тези изотопи имат същите химични свойства.
Не случайно химичният елемент водород заема първото число в периодичната таблица на елементите. Факт е, че има някаква връзка между броя на всеки елемент в периодичната таблица на елементите и големината на заряда на ядрото на атом на този елемент. Тя може да бъде формулирана по следния начин: серийният номер на всеки химичен елемент в периодичната система от елементи е числено равен на положителния заряд на ядрото на този елемент и следователно на броя на електроните, въртящи се около него.
Тъй като водородът заема първото число в периодичната таблица на елементите, това означава, че положителният заряд на ядрото на неговия атом е равен на единица и че един електрон се върти около ядрото.
Химичният елемент хелий е на второ място в периодичната таблица на елементите. Това означава, че той има положителен електрически заряд на ядрото, равен на две единици, тоест ядрото му трябва да съдържа два протона, а в електронната обвивка на атома — два електрода.
Естественият хелий се състои от два изотопа — тежък и лек хелий. Масовият брой на тежкия хелий е четири. Това означава, че в допълнение към гореспоменатите два протона, в състава на ядрото на тежкия хелиев атом трябва да влязат още два неутрона. Що се отнася до лекия хелий, неговото масово число е три, тоест в състава на ядрото му, освен два протона, трябва да влезе още един неутрон.
Установено е, че в естествения хелий броят на леките хелиеви атоми е приблизително една милионна част от тежките гениални атоми. На фиг. 3 показва схематичен модел на хелиевия атом.
Ориз. 3. Диаграма на структурата на хелиевия атом
По -нататъшното усложнение на структурата на атомите на химичните елементи се дължи на увеличаване на броя на протоните и неутроните в ядрата на тези атоми и едновременно с това на увеличаване на броя на електроните, въртящи се около ядрата (фиг. 4). Използвайки периодичната система от елементи, е лесно да се определи броят на електроните, протоните и неутроните, които съставляват различни атоми.
Ориз. 4. Схеми на строежа на атомните ядра: 1 — хелий, 2 — въглерод, 3 — кислород
Редовният номер на химически елемент е равен на броя на протоните в ядрото на атома и едновременно с това броят на електроните, въртящи се около ядрото. Що се отнася до атомното тегло, то е приблизително равно на масовото число на атома, тоест броя на протоните и неутроните, взети заедно в ядрото. Следователно, като се извади от атомното тегло на елемент число, равно на порядъчния номер на елемента, е възможно да се определи колко неутрони се съдържат в дадено ядро.
Установено е, че ядрата на леки химически елементи, които имат в състава си равен брой протони и неутрони, се отличават с много висока якост, тъй като ядрените сили в тях са относително големи. Например, ядрото на атом от тежък хелий е изключително издръжливо, тъй като се състои от два протона и два неутрона, свързани заедно с мощни ядрени сили.
Ядрата на атомите на по -тежки химични елементи вече съдържат в състава си неравен брой протони и неутрони, поради което връзката им в ядрото е по -слаба, отколкото в ядрата на леки химични елементи. Ядрата на тези елементи могат да бъдат сравнително лесно разделени, когато са бомбардирани с атомни „снаряди“ (неутрони, хелиеви ядра и др.).
Що се отнася до най -тежките химични елементи, по -специално радиоактивните, техните ядра се отличават с толкова ниска якост, че спонтанно се разпадат на съставните си части. Например, атомите на радиоактивния елемент радий, състоящ се от комбинация от 88 протона и 138 неутрона, спонтанно се разпадат, превръщайки се в атоми на радиоактивния елемент радон. Атомите на последния от своя страна се разпадат на съставните си части, преминавайки в атомите на други елементи.
След като се запознахме накратко със съставните части на ядрата на атомите на химичните елементи, нека разгледаме структурата на електронните обвивки на атомите. Както знаете, електроните могат да се въртят около ядрата на атомите само по строго определени орбити. Освен това те са толкова групирани в електронната обвивка на всеки атом, че могат да се разграничат отделни слоеве електрони.
Всеки слой може да съдържа определен брой електрони, които не надвишават строго определен брой. Така например в първия електронен слой най -близо до ядрото на атом може да има максимум два електрона, във втория — не повече от осем електрона и т.н.
Тези атоми, в които външните електронни слоеве са напълно запълнени, имат най -стабилната електронна обвивка. Това означава, че даден атом здраво задържа всичките си електрони и не е необходимо да получава допълнително количество от тях отвън. Например, хелиевият атом има два електрона, напълно запълващи първия електронен слой, а неоновият атом има десет електрона, от които първите два напълно запълват първия електронен слой, а останалите — втория (фиг. 5).
Ориз. 5. Диаграма на строежа на неоновия атом
Следователно, атомите на хелий и неон имат доста стабилни електронни обвивки, те не се стремят да ги променят по никакъв начин количествено. Такива елементи са химически инертни, тоест не влизат в химическо взаимодействие с други елементи.
Повечето химични елементи обаче имат атоми, при които външните електронни слоеве не са напълно запълнени с електрони. Например, калиев атом има деветнадесет електрона, от които осемнадесет напълно запълват първите три слоя, а деветнадесетият електронен е в следващия, незапълнен електронен слой. Слабото запълване на четвъртия електронен слой с електрони води до факта, че ядрото на атома много слабо задържа най -външния — деветнадесетия електрон и следователно последният може лесно да бъде изваден от атома. …
Или например кислородният атом има осем електрона, от които два напълно запълват първия слой, а останалите шест се намират във втория слой. По този начин, за пълното завършване на изграждането на втория електронен слой в кислородния атом, му липсват само два електрона. Следователно кислородният атом не само здраво задържа своите шест електрона във втория слой, но също така има способността да привлича два липсващи електрона към себе си, за да запълни втория си електронен слой. Това той постига чрез химическа комбинация с атомите на такива елементи, при които външните електрони са слабо свързани с техните ядра.
Химическите елементи, чиито атоми нямат външни електронни слоеве, напълно запълнени с електрони, по правило са химически активни, тоест те с желание влизат в химическо взаимодействие.
Така че, електроните в атомите на химичните елементи са подредени в строго определен ред и всяка промяна в тяхното пространствено разположение или количество в електронната обвивка на атома води до промяна във физико -химичните свойства на последния.
Равенството на броя на електроните и протоните в атомната система е причината общият й електрически заряд да е нулев. Ако се наруши равенството на броя на електроните и протоните в атомната система, тогава атомът се превръща в електрически заредена система.
Атом, в системата на който равновесието на противоположните електрически заряди е нарушено поради факта, че е загубил част от своите електрони или, обратно, е придобил излишно количество от тях, се нарича йон.
Напротив, ако един атом придобие някакъв излишен брой електрони, той се превръща в отрицателен йон. Например, хлорен атом, който е получил един допълнителен електрон, се превръща в еднозареден отрицателен хлорен йон Сl-… Кислородният атом, който е получил два допълнителни електрона, се превръща в двойно зареден отрицателен кислороден йон О и т.н.
Атом, който се е превърнал в йон, се превръща в електрически заредена система по отношение на външната среда. А това означава, че атомът е започнал да притежава електрическо поле, заедно с което образува единна материална система и чрез това поле осъществява електрическо взаимодействие с други електрически заредени частици от материята — йони, електрони, положително заредени ядра от атоми и т.н.
Способността на различните йони да се привличат взаимно е причината те да се комбинират химически, образувайки по -сложни частици материя — молекули.
В заключение трябва да се отбележи, че размерите на атома са много големи в сравнение с размерите на реалните частици, от които са съставени. Ядрото на най -сложния атом, заедно с всички електрони, заема една милиардна част от обема на атома. Едно просто изчисление показва, че ако един кубичен метър платина може да бъде притиснат толкова плътно, че вътрешноатомните и междуатомните пространства да изчезнат, тогава ще се получи обем, равен на около един кубичен милиметър.