§ 29. строение атомов

А что такое электрический ток?

Нет ничего проще! Поток электронов – вот что такое электроток. Как река – это течение триллионов и биллионов молекул воды по руслу, так и электрический ток – это течение миллиардов электронов по металлическому проводу. Все металлы очень хорошо проводят ток

Это отличительное свойство металлов, на которое ученые давно обратили внимание. Сегодня в кристаллической решетке металла мы умеем организовывать организованное течение мириадов элементарных частичек под названием электроны

Греки добывали чуть-чуть электричества, натирая шерстью янтарь. У нас же теперь – целые электростанции, которые занимаются производством электроэнергии. Уйму тока дают!

Короче говоря, заряд электрона – это некое свойство, которое характеризуется… чем? Ясно, чем характеризуется масса. Инертностью! Чем массивнее тело, тем труднее его разгонять. Попробовали потолкать – ого! тяжеленное! А заряд как обнаружить?

А заряд проявляет себя тем, что он притягивается к другому заряду – противоположному.

Существуют два вида зарядов – положительный и отрицательный. Ничего положительного и отрицательного в бытовом смысле в них нет, они не хорошие и не плохие, просто их так назвали когда-то да и все. Обозначают положительный заряд знаком плюс – «+», а отрицательный знаком минус – «-». Эти знаки вы тыщу раз видели на разных батарейках. А если не видели, сходите да посмотрите. Мне кажется, лучше всего попробовать выломать батарейку из папиных часов с помощью молотка и отвертки.

Электрон является носителем отрицательного заряда, а протон – положительного. Разноименные заряды притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Это прекрасно видно на рисунке.

Притяжение и отталкивание электрических зарядов.

Вот так мы и к протону незаметно перешли. Посмотрим-ка на него внимательно.

Если электрон маленький, легонький и электроотрицательный (минус), то протон большой, тяжелый и электроположительный (плюс). Полная противоположность! При этом протон и электрон притягиваются друг к другу.

Самый тяжелый и легкий атом

Оганессон — самый тяжелый элемент (по атомной массе), открытый в 2002 году. Это первый благородный газ, который удивительно химически активен и проявляет очень необычные физические и химические свойства.

Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.

Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.

Квантовая природа атомных свойств

Электрон совершает мгновенный «квантовый скачок» с одного энергетического уровня на другой

Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.

Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.

Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.

Электрон — атом

Электроны атома в ядерной модели не могут быть неподвижны.
 

Электроны атомов обычно находятся на определенных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах ( валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома, после чего становятся свободными или присоединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией.
 

Электроны атомов обычно находятся на определенных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах ( валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома, после чего становятся свободны. Атом, потерявший один или несколько электронов, называется положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией. Количество носителей заряда — свободных электронов или ионов — в единице объема вещества принято называть концентрацией носителей заряда.
 

Электроны атома с одинаковыми значениями квантовых чисел п и / называются эквивалентными.
 

Электроны атома обладают нулевой кинетической энергией, составляющей 5 — 15 эв.
 

Электроны атома могут двигаться вокруг ядра только по некоторым избранным орбитам. Каждая из этих орбит соответствует определенной величине энергии электрона. Последняя не может изменяться непрерывно: она принимает квантованные значения. Для любого атома существует определенный набор разрешенных уровней энергии.
 

Электроны атомов, в отличие от электронов в ускорителях, электромагнитную энергию в обычных условиях не излучают.
 

Электроны атомов обычно находятся на определенных орбитах. Электроны, находящиеся на внутренних орбитах, относительно прочно связаны с ядром атома. Электроны, находящиеся на внешних орбитах ( валентные электроны), сравнительно легко могут отделяться от атома и становятся свободными или присоединяются к другому атому или молекуле. Атом, потерявший один или несколько электронов, становится положительным ионом, а атом, присоединивший электроны, — отрицательным ионом. Процесс образования ионов называется ионизацией.
 

Электроны атома в основном состоянии занимают разрешенные принципом Паули уровни с наименьшей энергией. При переходе от атома с порядковым номеромZ к атому с порядковым номером Z 1 число электронов атома увеличивается на единицу. Добавляемый электрон Занимает наинизшее из незанятых другими электронами состояний. В этой таблице приводятся электронные конфигурации основных состояний атомов ( внутренние заполненные оболочки опущены), а также основной терм и потенциалы ионизации. Зная электронную конфигурацию, основной терм можно определить по правилу Гунда.
 

Электроны атомов, находясь в разных энергетических состояниях, обладают разными энергиями. Следовательно, для отрыва электронов ( ионизации атомов), находящихся на разных энергетических уровнях, требуются различные количества энергии, причем с удалением электрона от ядра это количество уменьшается.
 

Электроны атома расположены на четырех энергетических уровнях, следовательно, элемент находится в четвертом периоде. Последний очередной электрон расположен на d — подуровне. Это значит, что элемент принадлежит к d — семейству.
 

Электроны атома можем рассматривать как свободные только в том случае, если время взаимодействия-столкновения мало по сравнению с периодом Т — их обращения.
 

Электроны атома заполняют прежде всего оболочки и орбиты с более низкими энергетическими уровнями. Поэтому-прежде всего будут заполнены электронами оболочки и орбиты, ближайшие к ядру. Нормальным состоянием атома является такое его состояние, при котором входящие в него электроны обладают самыми низкими энергетическими уровнями.
 

Ну, вот, собственно, и все! Вся природа у нас в кармане! Теперь нами понят ее главный принцип.

Как собрать следующий, третий по счету химический элемент в таблице Менделеева? Очень просто. Берем три протона, три нейтрона и три электрона. Нуклоны скатываем, как снежок, в одно ядро, вокруг запускаем три штучки электрончиков – и получаем литий. Литий – это уже не газ. Это уже легкий металл. Самый легкий металл на свете.

Вы, надеюсь, уже нашли водород, гелий и литий в таблице Менделеева…

А теперь поступим так. Найдите-ка в таблице наше родное и всеми горячо любимое золото. Стойте!.. Лучше, чтобы вы не листали книгу туда-сюда, я просто сам перенесу из таблицы Менделеева клеточку с золотом сюда. И расположу ее чуть ниже золотых слитков.

Золото. Согласитесь, посмотреть приятно! Эти бы слитки да в хорошие руки!
А вот клеточка из таблицы Менделеева, где томится золото.

Мы видим тут значок золота – Au (аурум) – и две цифры. Верхняя – это порядковый номер элемента в таблице Менделеева. У золота № 79. Почему такой?

Отчего золото оказалось в периодической таблице элементов под номером 79?

Не знаете? А могли бы и догадаться! Вспомните, как мы строили первые три простейшие вещества. У первого, водорода – один протон и один электрон. У второго, гелия – по два. У третьего, лития – по три. Уловили закономерность? Порядковый номер – это количество протонов в ядре атома и электронов на орбите, вот и все! Если элемент стоит в таблице Менделеева пятым, то это только потому, что у него пять протонов в ядре, а вокруг кружатся 5 электронов.

А вторая цифра, которая внизу, что значит? Выглядит она страшно, но пугаться не стоит. Это атомная масса. Только выражена она не в килограммах или граммах, а в атомных единицах, где гирькой служит нуклон. 1 нуклон – это одна единица массы. Два нуклона – две единицы атомной массы. Крайне просто.

Сборник задач по физике, Лукашик В.И.

1211. Укажите, какая часть атома несет положительный заряд, а какая — отрицательный. Ядро — положительный, электроны — отрицательный.

1212. Во сколько раз масса ядра атома углерода больше массы ядра атома водорода? В 12 раз (см. таблицу Менделеева).

1213. Вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов. Сколько протонов имеет ядро атома кислорода? 8 протонов.

1214. Шар, заряженный положительно, подвешен на шелковой нити. Изменилось ли число протонов, содержащихся в шаре, когда ему сообщили дополнительный положительный заряд? На этот вопрос были получены ответы: уменьшилось; увеличилось; не изменилось. Какой из этих ответов правильный? Ответ объясните. Число протонов не изменится. Уменьшится число электронов.

1215. Может ли атом водорода или другого вещества лишиться заряда, равного 0,5 заряда электрона? Нет, поскольку электрон обладает элементарным зарядом.

1216. Металлический шар, имевший положительный заряд, разрядили, и он стал электрически нейтральным. Можно ли сказать, что заряды в шаре исчезли? Нет, но отрицательные и положительные заряды компенсируют друг друга.

1217. Два одинаковых металлических шара, заряженные по абсолютной величине одинаковыми, а по знак у разными зарядами, после соприкосновения оказались электрически нейтральными. Можно ли сказать, что заряды в шарах исчезли? Какие изменения произошли с ионной кристаллической решеткой металла шаров? Заряды в шарах не исчезли. Электронные оболочки положительно заряженных ионов, содержащихся в положительно заряженном шаре, полностью заполнились за счет свободных электронов отрицательно заряженного шара.

1218. На рисунке 290 схематически изображены атом и ион водорода. На каком рисунке (а или б) изображен ион? Какой заряд представляет собой ион? На рисунке «а» изображен ион водорода. Его заряд q = 1,6 • 10 -19Кл.

1219. Что имеет большую массу: атом водорода или положительный ион водорода? Ответ обоснуйте. Атом водорода, поскольку в нем есть электрон — частица, обладающая массой.

1220. Известно, что литий имеет три электрона. С учетом этого начертите схемы положительного и отрицательного ионов лития; гелия (имеющего два электрона).

1221. На рисунке 291, а схематически изображен атом гелия. Что изображено на рисунке 291, б? На рисунке «б» изображен ион гелия.

1222. Алюминиевой палочке сообщили положительный заряд. Что произошло с некоторым числом атомов алюминия? За счет потери электронов они превратились в положительно заряженные ионы.

1223. К незаряженным металлическим палочкам поднесли заряженные тела (рис. 292). Укажите знаки зарядов, которые возникнут на палочках. На верхнем стержне — отрицательный, на нижнем — положительный. (Эти заряды возникнут на ближайших к телам концах стержней).

1224. К незаряженным металлическим палочкам поднесли заряженные шарики (рис. 293). Укажите знаки зарядов, которые возникнут на палочках. Сверху вниз: слева –q; справа +q; слева и справа –q; посередине +q; слева и справа +q; посередине -2q; слева +q; справа -q.

1225. Подвешенная гильза вначале касалась незаряженной металлической палочки, но, когда к палочке поднесли заряженный шар, гильза заняла другое положение (рис. 294). Почему? При поднесении к одному концу стержня заряда + q на другом его конце появляется положительный заряд, часть которого передается гильзе. Гильза отталкивается от стержня.

1226. Известно, что в состав атома лития входят 3 протона. Сколько всего частиц в атоме лития? Назовите их. В атоме лития 10 частиц: 3 протона, 4 нейтрона, 3 электрона.

1227. Какое изменение произошло с атомом кислорода, если он превратился в положительный ион? Он потерял один или несколько электронов.

1228. Чем положительный ион газа отличается от молекулы газа?  Он потерял один или несколько электронов.

Физика8 класс

§ 29. Строение атомов

Атомы разных элементов в обычном состоянии отличаются друг от друга числом электронов, движущихся вокруг ядра. Так, в атоме водорода вокруг ядра движется один электрон, в атоме гелия — два электрона. Есть атомы с тремя, четырьмя электронами и т. д. Вокруг ядра атома кислорода движется 8 электронов, железа — 26, урана — 92 электрона.

Но всё же главной характеристикой данного химического элемента является не число электронов, а заряд ядра.

Дело в том, что электроны могут иногда отрываться от атома и тогда общий заряд электронов в атоме изменится. Заряд же ядра изменить очень трудно. А если он изменится, то получится уже другой химический элемент.

Так как заряд ядра равен по абсолютному значению общему заряду электронов атома, можно предположить, что в составе ядра находятся положительно заряженные частицы. Их назвали протонами. Масса протона 1,67•10-27 кг, что почти в 1840 раз больше, чем масса электрона.

Заряд протона положителен и равен по абсолютному значению заряду электрона.

Дальнейшее изучение состава ядра позволило предположить, что, кроме протонов, в ядрах атомов содержатся ещё нейтральные (не имеющие заряда) частицы. Они получили название нейтронов. Масса нейтрона не намного больше массы протона.

Итак, строение атома таково: в центре атома находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг ядра движутся электроны.

Рис. 40. Модели атомов:
а — водорода; б — гелия; в — лития

На рисунке 40 показаны модели атомов водорода (рис. 40, а), гелия (рис. 40, б) и лития (рис. 40, в). Протоны обозначены на рисунке кружками со знаком « + », нейтроны — серыми кружками (соотношение размеров и расстояний на рисунке не соблюдено).

Напомним, что атом в целом не имеет заряда, он нейтрален, потому что положительный заряд его ядра равен отрицательному заряду всех его электронов.

Но атом, потерявший один или несколько электронов, уже не является нейтральным, а будет иметь положительный заряд. Его называют тогда положительным ионом.

Наблюдается и обратное. Лишний электрон присоединяется к нейтральному атому. В этом случае атом приобретает отрицательный заряд и становится отрицательным ионом.

Вопросы

1. Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?
2. Что является главной характеристикой данного химического элемента?
3. Какие частицы входят в состав ядра?
4. Каково строение атомов водорода, гелия и лития?
5. Как образуются положительные и отрицательные ионы?

Упражнение 20

1. В ядре атома углерода содержится 12 частиц. Вокруг ядра движутся 6 электронов. Сколько в ядре этого атома протонов и сколько нейтронов?
2. От атома гелия отделился один электрон. Как называется оставшаяся частица? Каков её заряд?
3. Существуют ли атомы с зарядом ядра меньшим, чем заряд протона?