Субатомные частицы: так вот что находится в атоме.Ядро: центральная сцена
Атом — это наименьшая частица элемента, обладающая его химическими свойствами. Долгое время в науке господствовало мнение, что атомы неделимы. Однако в конце XIX — начале XX века был установлен ряд фактов, свидетельствовавших о сложном составе атомов. Атом любого элемента состоит из одних и тех же частиц. Единственное, что меняется — это количество различных субатомных частиц.
Теперь ученые признают, что таких частиц много (отчего у физиков по-настоящему текут слюнки). Впрочем, для химиков особый интерес представляют только три основные субатомные частицы:
Субатомные частицы: так вот что находится в атоме
В табл. 3.1 массы субатомных частиц указаны дважды: в граммах и в атомных единицах массы (а. е. м.). Выражать массу в а. е. м. намного удобнее, чем в граммах.
В основе атомной единицы массы лежит так называемая углеродная шкала-12 — всемирный стандарт, принятый для значений атомной массы. Атом углерода, содержащий 6 протонов и 6 нейтронов, имеет по международному соглашению атомную массу, равную 12 а.е.м. Таким образом, 1 а.е.м. — это 1/12 часть атома углерода. Вы спросите, а причем здесь атом углерода и число 12? Можете мне поверить: протон и нейтрон имеют почти одинаковую массу в граммах, поэтому говорят, что протоны и нейтроны имеют массу, равную 1 а. е. м. Обратите внимание, что у электрона масса во много раз меньше, чем у протона или нейтрона. И для того, чтобы получить такую же массу, как у одного протона, требуется почти 2 000 электронов.
В табл. 3.1 также приведен электрический заряд каждой из субатомных частиц. Вещество может быть заряжено либо положительно, либо отрицательно. Протон несет одну единицу положительного заряда, электрон — одну единицу отрицательного заряда, а нейтрон не имеет заряда — он нейтрален.
Экспериментальным путем ученые обнаружили, что частицы с одноименными зарядами, положительными или отрицательными, отталкиваются друг от друга, а с разноименными — притягиваются.
Сам по себе атом не имеет заряда. Он нейтрален. (Однако, как вы узнаете в главе 6, «Противоположности притягиваются: ионные связи», некоторые атомы могут принимать или отдавать электроны, таким образом получая заряд. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся заряженными положительно, а атомы, присоединившие к себе лишние электроны, заряжаются отрицательно. Образующиеся заряженные частицы называются ионами?) Итак, каким же образом атом может быть нейтральным, если состоит из положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов? Дело в том, что в атоме количество протонов равно количеству электронов, т.е. количество положительных зарядов равно количеству отрицательных, поэтому электроны и протоны нейтрализуют друг друга.
В последнем столбце табл. 3.1 показано местоположение трех субатомных частиц. Протоны и нейтроны расположены в ядре (плотной центральной структуре в середине атома), в то время как электроны находятся вне ядра (см. раздел «Где же электроны?» далее в главе).
Ядро: центральная сцена
В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил схему строения атома; согласно этой схеме
атом состоит из положительно заряженного ядра, в котором сосредоточена преобладающая
часть массы атома, и вращающихся вокруг него электронов. В ядре находятся протоны.
Позднее ученые открыли, что в ядре также обитают нейтроны.
По сравнению с остальной частью атома ядро имеет крайне малый размер и невероятно
большую плотность. В основном диаметр атомов равен примерно 10–10 м. (Большим не назовешь!) А диаметр ядер примерно равен 10- м. (Уж точно, большим не назовешь!) Например, если представить себе, что стадион Супердом (Superdome) в Новом Орлеане является атомом водорода, то ядро имело бы размер примерно с горошину.
В атоме все протоны находятся внутри ядра. Кое-кто может подумать, что этого не может быть. Ведь каждый протон несет положительный заряд, а, как известно, одноименные заряды отталкиваются друг от друга. Если же все протоны отталкиваются друг от друга, тогда почему ядро не разлетается на части? Все дело в силе. В ядре имеются силы, которые противодействуют силам отталкивания и не дают ядру развалиться. (Физики называют эти силы ядерным клеем. Но иногда такой «клей» недостаточно прочен, и ядро распадается на части. Этот процесс называется радиоактивностью?)
Ядро составляет большую часть массы атома. Поэтому при расчетах массу атома можно считать равной сумме масс протонов и нейтронов. (Я, например, игнорирую незначительную массу электронов, если не делаю очень точных вычислений.)
Целое число, равное сумме протонов и нейтронов в ядре атома, называется массовым числом ядра. А количество в атоме одних только протонов имеет особое название — порядковый номер (атомный номер, или заряд ядра). Для обозначения атомных ядер применяют структурный символ элемента (рис. 3.1).
Как видно на рис. 3.1, буква X обозначает химический символ. Химический символ нужного элемента можно найти в периодической таблице или в алфавитном списке элементов, приведенном в табл. 3.2. Буква Z обозначает порядковый номер — количество протонов в ядре. Буква A обозначает массовое число — общее количество протонов и нейтронов в ядре. В табл. 3.2 массовое число (также называемое атомной массой) выражается в атомных единицах массы.
Предположим, вам нужен уран. Можете обратиться к периодической таблице элементов или, например, к табл. 3.2. Вы увидите, что символом урана служит U, его атомный номер 92, а массовое число — 238.
Таким образом, структурный символ урана можно представить так, как на рис. 3.2.
Теперь вам известно, что порядковый номер урана — 92 (количество протонов), а его массовое число — 238 (сумма протонов и нейтронов). Таким образом, если вам нужно подсчитать количество нейтронов в уране, необходимо лишь вычесть из массового числа урана (232) его порядковый номер (92). Число, полученное в результате, показывает, что ядро урана имеет 146 нейтронов.
Ну а сколько уран имеет электронов? Так как атом нейтрален (т. е. не имеет электрического заряда), положительных зарядов в нем должно быть ровно столько, сколько и отрицательных. Другими словами, количество электронов в атоме равно количеству протонов. Таким образом, в каждом атоме урана находится 92 электрона.