Что содержится внутри атома
Атомы: строительные блоки молекул
Если молекулы – основные структуры, задействованные в химии – это слова, из которых состоят все окружающие нас материалы, тогда атомы – это буквы, строительные блоки молекул. Слова бывают разной длины, и типичная молекула тоже может содержать несколько атомов, или несколько сотен, или даже сто тысяч атомов. Молекула столовой соли NaCl состоит из двух атомов, натрия Na и хлора Cl. Молекула воды H2O содержит два атома водорода и один кислорода. Молекула столового сахара C12H22O11 содержит 12 атомов углерода, 11 кислорода и 22 водорода, организованных определённым образом.
Откуда нам известно о существовании атомов? Иногда их можно «видеть», так же, как мы видим молекулы, которые они могут формировать. Не глазами, но более продвинутыми устройствами. Один из методов использует сканирующий туннельный микроскоп, способный показывать атомы в кристалле или даже передвигать их по одному. Другой метод использует нашу возможность захвата ионов (немного изменённых атомов – подробности ниже).
На фото – три иона, пойманных одновременно. На них падает свет, они поглощают его и снова испускают. Повторно испущенный свет можно обнаружить, благодаря чему мы можем увидеть, где находятся ионы – примерно так отражение света от небольшого, но яркого бриллианта может помочь нам найти его.
Сколько же типов атомов существует? Типы называются «химическими элементами» и точное их количество зависит от того, как их считать. Но допустим, что атомный алфавит состоит из примерно сотни химических элементов, а к тонкостям подсчёта вернёмся позже. Так же, как мы могли назначить буквам алфавита от А до Я номера от 1 до 33, каждому элементу назначается не только имя, но и атомный номер (обозначается «Z»). Самые простые атомы – у водорода, их атомный номер = 1. Самые сложные в изобилии встречаются в природе, это уран с атомным номером 92. Другие – кислород (8), азот (7), кальций (20), криптон (36), лантан (57), платина (78). Полный список ищите в периодической системе элементов Менделеева. У каждого элемента своя химия – то, как он ведёт себя внутри молекул – примерно так, как у каждой буквы есть свои правила, по которым она может встречаться в словах.
Вопросы, которые можно задать об атомах:
1. Из чего состоят атомы?
2. В чём смысл атомного номера?
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов?
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой?
5. Как части атома удерживаются вместе?
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы?
Оказывается, на все эти вопросы лучше всего отвечать, начав с первого: из чего состоят атомы? Атомы состоят из того, что обычно называют «субатомными частицами» (к сожалению, этот термин некорректен, поскольку у этих «частиц» есть некоторые свойства, частицам не присущие). Конкретнее, атомы состоят из набора небольших и очень лёгких электронов, окружающих крохотное, но тяжёлое атомное ядро, в котором содержится большая часть массы атома. Ядро состоит из других «частиц», в свою очередь также состоящих из других «частиц», и мы до них ещё доберёмся.
Рисованный атом
Частенько мы видим изображения атомов, нарисованные на книгах по химии, на рекламках и предупреждающих знаках. Пример – рис. 1. Он передаёт очень грубую идею того, как устроен атом: снаружи у него есть определённое количество электронов (синие), и они вращаются вокруг центрального атомного ядра. Ядро – это скопление протонов (красные) и нейтронов (белые).
Теперь мы можем ответить на 2-й вопрос: что означает атомное число Z? Это просто количество протонов в ядре. У кислорода атомный номер 8, и у него в ядре 8 протонов.
В простейших условиях атомное число также равняется количеству электронов атома. С количеством нейтронов всё сложнее, мы вернёмся к этому позже. У электронов отрицательный электрический заряд (-е), а у протонов – положительный (+е). Нейтроны нейтральны, электрического заряда у них нет. Когда количество электронов и протонов совпадает, их заряды взаимно уничтожаются, и у атома электрического заряда не наблюдается – такой атом нейтрален.
Но нет ничего необычного – к примеру, в процессе формирования молекул – если атом приобретёт или потеряет один или несколько внешних, валентных электронов. В этом случае электрические заряды электронов и протонов не уничтожаются, и получившийся заряженный атом называют ионом.
Более реалистичный атом
Хотя рис. 1 примерно описывает архитектуру атома – электроны действительно находятся снаружи, а ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в середине – он совершенно не передаёт реальную форму и суть атома, поскольку он выполнен не в масштабе, а мы живём в квантовом мире, в котором объекты ведут себя так, что их сложно нарисовать или представить.
С проблемой масштаба можно разобраться, нарисовав более точное (хотя всё ещё несовершенное) изображение, рис. 2.
Рис 2. Атом – по большей части пуст (серая область). По нему быстро движутся электроны (голубые точки, нарисованы не в масштабе, а гораздо больше). В центре находится тяжёлое ядро (красные и белые точки, нарисованы больше, чем в масштабе).
Вот, что я попытался передать этим изображением. Во-первых, электроны очень, очень малы, настолько малы, что мы так и не смогли измерить их размер – может статься, что они точечные и не имеют размера, но они точно не больше, чем 1/100 000 000 от диаметра атома. Во-вторых, ядра (и протоны с нейтронами, их составляющие) также крайне малы, хотя они и больше, чем электроны. Их размер измерен, и он примерно в 10 000 – 100 000 раз меньше диаметра атома. Атом немного похож на деревню. Протоны и нейтроны в ядре – большие дома, находящиеся в центре деревни, а электроны – далеко разбросанные фермерские домики. На большей части сельской местности растут зерновые культуры и нет домов. И хотя территория, считающаяся частью деревни, может быть большой, реально занимаемая домами площадь очень мала.
Но эта аналогия не полная, поскольку электроны, в отличие от фермерских домиков, очень быстро двигаются по серому региону на картинке и вокруг ядра со скоростями порядка 1% от скорости света. Покрываемая ими территория обычно не сферическая, а более сложной формы, кроме того не все электроны перемещаются по одной и той же территории.
Но, как я вас предупреждал, рис. 2 тоже не точный. Во-первых, нужно было бы нарисовать ядро в тысячи раз меньше, а электроны – в миллионы раз меньше, только тогда их не было бы видно. Если бы атом был размером с вашу спальню, то его ядро было бы размером с пылинку. По сравнению со своими компонентами, атомы огромны! В каком-то смысле большую часть атома составляет пустота!
Во-вторых, изображение не передаёт мутную природу квантовой механики. Уравнения квантовой механики описывают и предсказывают поведение молекул, атомов и субатомных частиц, и эти уравнения говорят нам, что у этих частиц могут быть очень странные и неинтуитивные свойства. Хотя электроны в каком-то смысле точечные (допустим, если вы захотите столкнуть два электрона друг с другом, то обнаружите, что можете сдвинуть их вместе на сколь угодно малое расстояние, и они ничем не выдадут своей внутренней структуры, если она вообще есть), есть возможность сделать так, что они, будучи оставленными в покое, будут распространяться как волна и заполнят всё серое пространство на рис. 2. Если это звучит странно, это не оттого, что вы чего-то не поняли: это странно и об этом тяжело думать. Я-то уж точно не знаю, как нарисовать атом, чтобы не вводить вас в заблуждение, и эксперты всё ещё спорят о том, как лучше всего о нём думать. Так что пока просто примите это как странный факт.
Размер электрона слишком мал для измерения, и его масса настолько мала, что электрон может распространиться по всему атому. А вот у ядра есть вполне измеренный и известный размер, а его масса так велика – больше 99,9% массы всего атома – что оно вообще не распределяется в пространстве. Ядро сидит в середине серой области.
Атом и его химия
Лучший приходящий мне в голову способ описать атом: большая часть массы атома содержится в ядре, находящемся в его центре, вокруг которого распределились чрезвычайно мелкие электроны гораздо меньшей массы, причём сделали это совершенно не так, как ведут себя частицы, заполнив всю серую область рис. 2.
Небольшой размер ядра по отношению к полному размеру атома, и то, что оно обычно находится в его центре, объясняет, почему оно играет относительно слабую роль в химии. Химия происходит – то есть, формируются и меняются молекулы – когда атомы приближаются друг к другу, а это происходит, когда внешние, валентные электроны одного атома близко подходят к внешним электронам другого – когда край серой области одного атома приближается к краю серой области другого. В химических процессах атомное ядро остаётся в центрах атомов, и никогда не приближается к другим ядрам. Основная роль ядра – обеспечение положительного заряда, удерживающего электроны, и большей части массы (определяющей, как сложно другим объектам передвигать этот атом).
Это отвечает на 3-й вопрос: химию атома в основном определяют подробности, связанные с его внешними электронами. Эти детали можно узнать (сложным способом, через уравнения квантовой механики), исходя из атомного номера Z.
Вместо того, чтобы заняться химией – темой, которой хватит на целый курс – мы перейдём на уровень ниже, к субатомным частицам, по пути отвечая на другие вопросы. Перечислим вопросы, с которыми мы разобрались, и вопросы, которые ещё предстоит изучить.
1. Из чего состоят атомы? Снаружи – электроны, в центре – атомное ядро (из протонов и нейтронов).
2. В чём смысл атомного номера? Это количество протонов в ядре атома, которое, в обычных условиях равно количеству электронов, его окружающих.
3. Каков главный источник различий в химическом поведении атомов разных элементов? Свойства внешних электронов, определяемые общим количеством электронов у каждого элемента, к примеру, атомным номером.
4. До какой степени разные атомы одного элемента схожи между собой? Обсудим это в статье про изотопы.
5. Как части атома удерживаются вместе? Обсудим это в статье о роли электрических сил и квантовой механики.
6. Почему атомы удерживаются вместе и образуют молекулы? Обсудим это в статье о роли электронов и электрических сил в построении молекул из атомов.
А вот вам ещё вопрос, который мог возникнуть при изучении рис. 2:
Если атом – по большей части пуст, почему объекты кажутся твёрдыми? Почему нельзя протянуть руку через экран компьютера, если экран состоит из атомов, по большей части пустых?
Что находится внутри атома?
Что находится внутри атома?
Не существует ничего, кроме атомов и пустоты; все остальное – лишь мнение.
Да собственно, почти ничего. Основное содержимое атома – это пустота.
Для пущей наглядности попробуйте представить себе атом размером с международный стадион. При этом электроны разместятся на самом верху трибун, каждый – мельче булавочной головки. Ядро же окажется ровно в центре футбольного поля, и размер этого ядра будет не больше горошины.
На протяжении многих веков считалось, что атомы (тогда еще чисто теоретическое понятие) есть мельчайшие единицы материи; отсюда и само слово «атом», по-гречески означающее «неделимый».
Однако в 1897 году был открыт электрон, а в 1911-м – ядро. В 1932-м атом удалось расщепить – так мир узнал про нейтроны.
Но этим дело ни в коем случае не заканчивается. Положительно заряженные протоны и незаряженные нейтроны в ядре состоят из еще более мелких элементов.
Эти поистине крошечные частицы, называемые кварками, получили в физике прозвища «странность» и «шарм» и представляются не в формах и размерах, а в «ароматах».
Дальние спутники ядра – отрицательно заряженные электроны – настолько необычны, что никто их так больше не называет. Их нынешний официальный титул – «заряды плотности вероятностей».
К 1950 году было открыто так много субатомных частиц (более 100), что становится даже как-то неловко. Чем бы материя ни была, никто, похоже, так и не смог добраться до ее сути.
Энрико Ферми – итальянец по происхождению, получивший в 1938 году Нобелевскую премию по физике за работы в области атомных реакторов, – сказал буквально следующее: «Если бы я мог запомнить имена всех этих частиц, я был бы ботаником».
Со времен Ферми ученым вроде как удалось договориться насчет числа субатомных частиц, находящихся внутри атома, – двадцать четыре. Эта максимально правдоподобная версия известна как «стандартная модель атома», создающая впечатление, будто теперь у нас с вами имеется вполне сносное представление о том, что есть что в этом мире.
Вселенная, насколько мы можем предполагать, так же мало населена, как и атом. Космос, в среднем, содержит буквально пару атомов на кубический метр.
Хотя время от времени сила тяготения собирает их вместе, превращая в звезды, планеты и жирафов, что само по себе не менее поразительно.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Читайте также
Где же находится дом миссис Хадсон?
Где же находится дом миссис Хадсон? Первое, что нам предстоит — определиться с главным местом действия, где начинались и заканчивались большинство приключений Шерлока Холмса и доктора Уотсона. Ведь точное местонахождение дома 221-б неизвестно, и титанические усилия
Где находится Тула?
Где находится Тула? В научном поиске бывают иногда такие неожиданные и невероятные открытия, что просто не знаешь, то ли смеяться от радости, то ли плакать от огорчения. Именно такое случилось с легендарной столицей тольтеков Толлантом, или Тулой, как ее также принято
Где находится самое сухое место на Земле?
Где находится самое сухое место на Земле? В Антарктиде[1]. Некоторые районы этого материка не видели дождя вот уже два миллиона лет.Технически пустыней считается место, где за год выпадает менее 254 мм осадков.В Сахаре, к примеру, их выпадает всего 25 мм.Среднегодовое
Где находится самая высокая гора?
Где находится самая высокая гора? На Марсе.Гигантский вулкан Олимп – или, по-латыни, Olympus Mons – является высочайшей горой Солнечной системы и других известных человечеству частей Вселенной.При высоте 22 км и диаметре 624 км гора Олимп почти в три раза выше Эвереста и
Где находится самое холодное место во Вселенной?
Где находится самое холодное место во Вселенной? В Финляндии.В 2000 году группа ученых из Хельсинкского технологического университета охладила кусок родия до температуры лишь на десять миллиардных градуса выше абсолютного нуля (–273 °С).Родий – редкий металл, в основном
Что находится внутри кокоса?
Что находится внутри кокоса? Не молоко, а кокосовая вода.Кокосовое молоко делается путем кипячения тертой кокосовой мякоти и последующего процеживания. Вскипятите молоко дальше – и вы получите кокосовые сливки.Кокос – единственное растение, производящее семенную
Внутри мыслящих миров
Внутри мыслящих миров Текст отсутствует!
ИСКУССТВО ВНУТРИ САДОВОГО КОЛЬЦА
ИСКУССТВО ВНУТРИ САДОВОГО КОЛЬЦА События прошедшего театрального сезона в оценке Виталия ВульфаЭстет и знаток искусства Виталий ВУЛЬФ известен многим как автор и ведущий телепередачи «Мой серебряный шар» о жизни и творчестве звезд кино и театра. Из-под пера
64. Человек, стоящий внутри дома
64. Человек, стоящий внутри дома Когда хотят указать на человека, стоящего в доме, то рисуют муравья и крылья летучей мыши. Ибо когда крылья [летучей мыши] мелькают над муравейником, никто из насекомых не выползает
Что у атома внутри
А в самом конце XIX века вдруг выяснилось, что атом вовсе не неделимый! Он состоит из крошечного тяжёлого ядра и очень лёгких электронов, крутящихся вокруг. Потом оказалось, что и ядро можно разделить на части (хотя и очень трудно!): оно состоит из двух очень похожих видов частиц — протонов и нейтронов. Их массы почти равны, а у электрона масса почти в 2000 раз меньше (соотношение примерно как между человеком и мышкой).
Главное различие между этими частицами в том, что протоны притягивают электроны (и сами к ним притягиваются). А два протона (или два электрона) отталкиваются друг от друга с такой же силой. Эти силы называются электрическими. Нейтроны же вовсе не притягивают электроны, да и между собой и с протонами хоть и взаимодействуют, но совсем по-другому (про это мы скажем чуть ниже): в электрическом взаимодействии они не участвуют.
Не путайте электрическую силу с гравитационным притяжением! В самом деле, все тела, имеющие массу, притягивают друг друга. Но эта сила крошечная даже для таких «средне-тяжёлых» тел, как, например, мы с вами. Большая она только тогда, когда одно из тел очень тяжёлое — звезда, планета или хотя бы астероид. А сила гравитационного притяжения протонов (и тем более протона и электрона) ничтожна.
Электрическая сила, напротив, очень велика: если бы можно было закрепить в каком-то месте протон (и воздух, конечно, убрать), а в трёх сантиметрах над ним поместить другой протон, то второй протон не упал бы вниз, а полетел бы вверх — отталкивание одного протона сильнее гравитационного притяжения всей Земли!
Обычно вещи вокруг нас не имеют электрического заряда — в них столько же электронов, сколько и протонов. Но от некоторых атомов электроны довольно легко отрываются. И вот если отодрать от атомов одного предмета тысячу или миллион-другой электронов и «прицепить» к атомам другого предмета, эти два предмета окажутся заряжены: один — положительно (в нём протонов больше, чем электронов), а другой — отрицательно (в нём лишние электроны). А ведь тысяча протонов, если они рядом, притягивают каждый электрон в тысячу раз сильнее, чем один протон. И начнут эти два предмета притягиваться друг к другу. Случалось вам видеть что-нибудь похожее? Например, когда вы старательно причёсываетесь пластмассовой расчёской, а волосы сами собой поднимаются ей навстречу?
И ещё. В отличие от, например, животных одного вида, которые всё-таки немножко отличаются друг от друга, все протоны (или все нейтроны, или электроны) совершенно одинаковы. Так что, например, электрон, «потерявший» свой атом, уже не сможет найти его среди других таких же.
Задача 1
Взяли две пары маленьких незаряженных шариков. В первой паре от атомов одного шарика «оторвали» 100 электронов и «посадили» их на второй шарик. Во второй паре то же самое сделали с тысячей электронов. Потом шарики в каждой паре разнесли на одно и то же довольно большое расстояние. (Пары далеко друг от друга, гораздо дальше, чем шарики в каждой паре.) Будут ли шарики каждой пары притягиваться или отталкиваться? В какой паре сила их взаимодействия больше и во сколько раз?
Шарики каждой пары притягиваются, во второй паре притяжение сильнее в 100 раз. Действительно, во втором случае «без электрона» осталось 1000 протонов, в 10 раз больше, чем в первом. Они притягивают каждый «убежавший» электрон в 10 раз сильнее. Но и «убежавших» электронов во втором случае в 10 раз больше! Значит, суммарная действующая на них сила отличается в 100 раз.
Заметим, что остальные, «неразлучённые» протоны и электроны тоже притягивают или отталкивают каждую заряженную частицу, но их действие скомпенсировано: с какой силой протон притягивает, с такой же электрон рядом с ним отталкивает, или наоборот.
Электрическое притяжение к протонам и держит электроны в атоме, не даёт им улететь. Как мы вскоре убедимся, оно же скрепляет атомы в молекулы. Но не только! Оно же заставляет молекулы одних тел действовать на молекулы других. Если не считать силы гравитационного притяжения, с которой все мы знакомимся с детства (глядя, как падают на пол выпущенные из руки игрушки), все остальные наблюдаемые нами физические явления вызваны как раз электрической силой. Упругость пружины, трение, прилипание разных вещей друг к другу или, наоборот, их взаимное отталкивание — за всё это отвечает взаимодействие электронов одних атомов с ядрами и электронами других.
Но вернёмся к нашим атомам. В нормальной ситуации атом электронейтрален, то есть не имеет заряда: у него электронов столько, сколько протонов в ядре. Если это не так (например, кто-то похитил у атома электрон или атом где-то захватил себе чужой), такой «калечный» атом называется ионом. Тогда он заряжен — положительно, если электронов не хватает, и отрицательно, если есть лишние.
Теперь можно догадаться, чем отличаются друг от друга разные сорта атомов: у них разное количество электронов. И, соответственно, протонов в ядре. Номер элемента в таблице Менделеева (число, написанное крупно в правом верхнем углу каждой клетки) — это число протонов в атомах этого элемента. А как узнать количество нейтронов? По массе атома, ведь массы протонов и нейтронов равны! Например, в атоме водорода — самом маленьком и самом лёгком — всего один протон. А в ядре атома гелия два протона, и при этом атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны не в счёт — значит, в ядре гелия 2 нейтрона!
Но почему эта масса нецелая? Не может же, например, у хлора быть 18 с половиной нейтронов? Конечно, нет. Просто это значит, что в природе бывают атомы с 17 электронами, 17 протонами и 18 нейтронами, а бывают такие, у которых электронов и протонов столько же, а число нейтронов отличается. И те и другие — атомы хлора, ведь электронов и протонов столько же. Такие «подвиды» атомов одного вида называют изотопами. В таблице Менделеева написана средняя масса атомов каждого вида (с учётом распространённости их изотопов).
В большинстве клеток средняя масса близка к целому числу. Это значит, что, как правило, в природе больше всего какого-то одного изотопа атомов каждого вида, а атомы с другим количеством нейтронов встречаются не так уж часто. Почти всегда можно не обращать на них внимания и округлять массу до ближайшего целого числа.
Когда хотят уточнить, какой именно изотоп имеется в виду, заряд ядра и его массу пишут прямо рядом с названием элемента: например, \(<>^<1>_<1>\mathrm
Ну-ка, проверим — всё ли понятно?
Задача 2
Сколько у атома \(<>^<12>_<6>\mathrm
\(<>^<12>_<6>\mathrm
Задача 3
Если 1 кг воды «расщепить» на кислород и водород, сколько получится граммов газа кислорода?
В молекуле воды на каждый атом кислорода приходится 2 атома водорода. Но в атоме кислорода 8 протонов + 8 нейтронов, он весит в 16:2 = 8 раз больше, чем оба эти атома водорода, вместе взятые (в них ведь всего по одному протону). Значит, на атомы кислорода приходится 8/9 всей массы воды. Когда атомы кислорода «отцепятся» от атомов водорода и «слепятся» по два в молекулы кислорода О2, их суммарная масса останется прежней: 8/9 кг.
Задача 4
Во что превратится атом кислорода \(<>^<16>_<8>\mathrm
Если добавить нейтрон, получится тяжёлый изотоп кислорода, \(<>^<17>_<8>\mathrm
Задача 5
У хлора два распространённых изотопа. Более редкий из них имеет 20 нейтронов. Во сколько раз изотопов хлора-37 в природе меньше, чем изотопов хлора-35?
Если бы был только изотоп \(<>^<35>_<17>\mathrm
(Более аккуратный подсчёт по указанному в таблице значению средней массы, (35,45−35):2 = 0,225, не даёт более точной оценки — ведь есть ещё другие изотопы хлора. Хоть их и совсем мало, но точнее сосчитать они помешают.)
Итак, изотоп \(<>^<37>_<17>\mathrm
Контрольная задача
В первом списке молекулы состоят из одинаковых атомов (атомов только одного вида); во втором — каждая молекула состоит из разных атомов, но все молекулы одинаковы. В третьем — вещества состоят из смеси молекул разных видов.
Художник Мария Усеинова
1 А разобрались ли вы? Для проверки и чтобы понять, как непросто было до всего этого догадаться, предлагаем вам решить «контрольную задачу» в конце статьи.
2 Вообще-то, когда договаривались, про электроны и протоны ещё ничего не знали — это было лет за 150 до их открытия. Тогда положительным назвали заряд, который получается на стекле, если его потереть шёлковой тряпочкой. Теперь мы знаем, что электроны со стекла «убегают» на шёлк.
3 Зато на этих маленьких расстояниях они очень большие — надо ведь «победить» электрическое отталкивание! Поэтому они так и называются — «сильные силы» (strong force), сильное взаимодействие.
4 Тут мы чуть-чуть обманываем читателя, но это не беда: дальше придётся обманывать ещё сильнее.