Что такое протон и электрон
Перейти к содержимому

Что такое протон и электрон

  • автор:

Почему атомы — величайшее чудо Вселенной

Один из самых удивительных фактов нашего существования был впервые постулирован более 2000 лет назад: на каком-то уровне каждая часть нашей материальной реальности может быть сведена к ряду крошечных компонентов, сохраняющих свои важные индивидуальные характеристики, которые позволяют им собираться воедино и создавать все, что мы видим, знаем, встречаем и переживаем. Эта простая мысль, приписываемая Демокриту Абдерскому, со временем переросла в атомистическое представление о Вселенной.

Хотя буквальное греческое слово «ἄτομος», означающее «неразрезаемый», не совсем применимо к атомам, поскольку они состоят из протонов, нейтронов и электронов, любая попытка «разделить» атом дальше приводит к потере его сущности: того факта, что он является определённым, конкретным элементом таблицы Менделеева. Именно это свойство позволяет ему создавать все те сложные структуры, которые существуют в нашей наблюдаемой реальности: количество протонов, содержащихся в атомном ядре.

Атом настолько мал, что если подсчитать общее количество атомов, содержащихся в одном человеческом теле, то получится около 10 28 : это более чем в миллион раз больше, чем количество звёзд во всей видимой Вселенной. И всё же сам факт того, что мы состоим из атомов, является, пожалуй, величайшим чудом во всей Вселенной.

В атоме, молекуле или ионе переход электронов с более высокого энергетического уровня на более низкий приводит к испусканию излучения с совершенно определённой длиной волны, определяемой фундаментальными константами. Если эти константы изменятся, то изменятся и свойства атомов во всей Вселенной.

Простой факт: именно скромный атом лежит в основе всего известного нам вещества во Вселенной — от обычного газообразного водорода до человека, планет, звёзд и т.д. Все, что состоит из обычной материи в нашей Вселенной — твёрдое, жидкое или газообразное — состоит из атомов. Даже плазма, возникающая в условиях очень высоких энергий или в разреженных глубинах межгалактического пространства, — это просто атомы, лишённые одного или нескольких электронов. Атомы сами по себе очень простые образования, но даже при таких простых свойствах они могут собираться в сложные комбинации, которые просто поражают воображение.

Поведение атомов поистине удивительно. Рассмотрим следующие факты:

Они состоят из небольшого массивного положительно заряженного ядра, вокруг которого вращается большое маломассивное рассеянное облако отрицательно заряженных электронов.

При приближении друг к другу атомы поляризуются и притягиваются, в результате чего они либо обмениваются электронами (ковалентно), либо один атом отбирает у другого один или несколько электронов (ионно).

Когда несколько атомов связываются друг с другом, они могут образовывать молекулы (ковалентно) или соли (ионно), которые могут быть как простыми, состоящими всего из двух атомов, так и сложными, состоящими из нескольких миллионов атомов.

Молекулы — примеры частиц вещества, связанных в сложные конфигурации, — приобретают такие формы и структуры в основном благодаря электромагнитным силам, существующим между входящими в их состав атомами и электронами. Разнообразие доступных структур практически безгранично.

Существует два ключа к пониманию того, как взаимодействуют атомы.

Каждый атом состоит из электрически заряженных компонентов: положительно заряженного ядра и ряда отрицательно заряженных электронов. Даже когда заряды статичны, они создают электрические поля, а когда заряды находятся в движении, они создают магнитные поля. В результате каждый существующий атом может стать электрически поляризованным при попадании в электрическое поле, а каждый существующий атом может стать намагниченным при воздействии магнитного поля.

Электроны, вращающиеся вокруг атома, будут занимать самый низкий доступный энергетический уровень. Хотя электрон может находиться в любой точке пространства в пределах примерно 0,1 нанометра от атомного ядра, он может занимать только определённый набор значений энергии, диктуемый правилами квантовой механики. Распределения вероятности нахождения электронов в зависимости от энергетического уровня также определяются правилами квантовой механики и подчиняются определённому распределению вероятности, которое однозначно вычисляется для каждого типа атомов с любым произвольным числом связанных с ними электронов.

Уровни энергии и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям в атоме водорода (хотя эти конфигурации чрезвычайно похожи у всех атомов). Уровни энергии квантованы в кратных значениях постоянной Планка, но размеры орбиталей и атомов определяются энергией основного состояния и массой электрона. В силу принципа исключения Паули на каждом из этих энергетических уровней могут находиться только два электрона, с одним верхним и одним нижним спином, в то время как другие электроны должны занимать более высокие и объёмные орбитали. При переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий необходимо изменить тип орбитали, на которой находится электрон, если он собирается испустить только один фотон, иначе он нарушит определённые законы сохранения.

В очень хорошем приближении наше представление о материи во Вселенной, заключающиеся в том, что она состоит из атомов с тяжёлым, положительно заряженным ядром и лёгкими, отрицательными зарядами вокруг него, которые поляризуются в ответ на электрические поля и намагничиваются в ответ на магнитные поля, которые могут обмениваться (ионно) или делиться (ковалентно) электронами с другими атомами, образуя связи, вызывая поляризацию и намагничивание и воздействуя на другие атомы вокруг себя, может объяснить практически всё в нашей привычной, повседневной жизни.

Атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы: связанные состояния атомов, которые складываются в почти бесчисленное множество конфигураций и могут взаимодействовать друг с другом самыми разнообразными способами. Соедините вместе большое количество аминокислот — и вы получите белок, способный выполнять ряд важных биохимических функций. Добавьте к белку ион — и вы получите фермент, способный изменять структуру связей в различных молекулах.

А если выстроить цепочку нуклеиновых кислот в правильном порядке, то можно закодировать как создание произвольного количества белков и ферментов, так и создание копий самого себя. При правильной конфигурации собранный набор атомов будет составлять живой организм.

Хотя человек состоит из клеток, на более фундаментальном уровне мы состоим из атомов. Всего в человеческом теле насчитывается около

10 28 атомов, по количеству в нас больше всего водорода, а по массе — кислорода и углерода.

Если бы всё человеческие знания когда-нибудь были уничтожены в результате грандиозного апокалипсиса, но остались бы выжившие разумные люди, то простая передача им знаний об атомах помогла бы им не только разобраться в окружающем мире, но и начать путь к восстановлению законов физики и всего комплекса поведения материи.

Знание об атомах очень быстро приведёт к реконструкции периодической таблицы. Понимание того, что в микроскопическом мире есть, на что посмотреть, привело к открытию клеток, органелл, а затем и молекул и их атомных составляющих. Химические реакции между молекулами и связанные с ними изменения конфигураций привели к открытию как способов хранения энергии, так и способов её высвобождения, как биологических, так и неорганических.

То, на что у человеческой цивилизации ушли сотни тысяч лет, может быть открыто за одну человеческую жизнь, и это даст увлекательные намёки на будущее, когда будут открыты такие свойства, как радиоактивность или возможности взаимодействия света и материи.

Периодическая таблица элементов отсортирована таким образом (по периодам, напоминающим строки, и группам, напоминающим столбцы) из-за количества свободных/занятых валентных электронов, что является фактором номер один, определяющим химические свойства каждого атома. Атомы могут соединяться в молекулы в огромном количестве, но именно электронная структура каждого из них в первую очередь определяет, какие конфигурации возможны, вероятны и энергетически благоприятны. До 2003 г. висмут считался самым тяжёлым стабильным элементом, а сегодня мы знаем, что он нестабилен по своей природе.

Но атом — это ещё и достаточный ключ к выходу за рамки дальтоновского представления о мире. Открытие того, что атомы могут иметь разную массу, но при этом сохранять свои элементарные свойства, привело бы не только к открытию изотопов, но и помогло бы исследователям обнаружить, что атомные ядра состоят из двух различных типов частиц: протонов (с положительным зарядом) и (незаряжённых) нейтронов.

Это более глубокое открытие, чем может показаться на первый взгляд. Внутри атомного ядра существуют два типа составных частиц с почти, но не совсем одинаковыми массами, причём более лёгкая имеет положительный заряд, а более тяжёлая – нейтральный. Вокруг всего ядра вращаются электроны — частицы, имеющие одинаковый с протоном заряд и меньшую массу, чем разница масс протона и нейтрона внутри ядра.

Если взять свободный протон, то он будет стабилен. Если взять свободный электрон, то он тоже будет стабильным. А если взять свободный нейтрон, то он не будет стабильным, а распадётся на протон, электрон и (возможно) третью, нейтральную частицу.

Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Бета-распад — это распад, протекающий через слабые взаимодействия с превращением нейтрона в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут, но связанные нейтроны могут быть стабильными до тех пор, пока мы их измеряем.

Это небольшое осознание, внезапно пришедшее в голову, могло бы научить вас огромному количеству знаний о фундаментальной природе реальности.

Во-первых, оно сразу же подскажет вам, что между протонами и/или нейтронами должно существовать какое-то дополнительное взаимодействие, отличное от электромагнитной. Например, существование дейтерия (изотопа водорода с 1 протоном и 1 нейтроном) говорит нам о том, что между протонами и нейтронами существует некая сила притяжения, которую нельзя объяснить ни электромагнетизмом (поскольку нейтроны нейтральны), ни гравитацией (поскольку гравитационные силы слишком слабы, чтобы объяснить такое связывание). Должна существовать какая-то ядерная сила, связывающая нейтроны.

Эта сила должна, по крайней мере, на некотором небольшом расстоянии преодолевать электростатическое отталкивание между протонами внутри одного атомного ядра: другими словами, она должна быть сильнее, чем даже (достаточно сильная сама по себе) сила отталкивания между двумя протонами. Поскольку стабильных атомных ядер, состоящих только из двух (или более) протонов, не существует, нейтрон должен играть определённую роль в стабильности ядра.

Другими словами, уже одно открытие того, что атомные ядра содержат и протоны, и нейтроны, делает необходимым существование сильного ядерного взаимодействия — или чего-то очень похожего на неё.

Отдельные протоны и нейтроны могут быть «бесцветными» образованиями, но кварки, входящие в их состав, «цветные». Глюоны могут обмениваться не только между отдельными глюонами внутри протона или нейтрона, но и в комбинациях между протонами и нейтронами, что приводит к ядерному связыванию. Однако каждый такой обмен должен подчиняться полному набору квантовых правил.

Кроме того, как только человек обнаружит, что свободный нейтрон может распадаться, или обнаружит радиоактивный бета-распад, или обнаружит, что звёзды питаются за счёт ядерного синтеза в их ядрах, он сразу же сможет сделать вывод о существовании четвёртого фундаментального взаимодействия в дополнение к гравитации, электромагнетизму и сильному ядерному взаимодействию: того, что мы называем слабым ядерным взаимодействием.

Должно существовать взаимодействие, позволяющее взять несколько протонов, слить их вместе, а затем перевести в состояние, менее массивное, чем исходные два протона, где один протон превращается как минимум в нейтрон и позитрон (антиэлектрон), и при этом сохраняются энергия и импульс. Способность превращать один тип частиц в другой, отличающийся от «суммы частей» или от «создания равных количеств материи и антиматерии», — это то, чего нельзя достичь при помощи трёх других взаимодействий. Просто изучая атомы, можно сделать вывод о существовании слабого ядерного взаимодействия.

Наиболее простая и низкоэнергетическая версия протон-протонной цепочки, в которой из исходного водородного топлива получается гелий-4. Отметим, что только при слиянии дейтерия и протона из водорода получается гелий; во всех остальных реакциях либо образуется водород, либо гелий получается из других изотопов гелия.

Для того чтобы существовала Вселенная с большим количеством типов атомов, необходимо, чтобы наша реальность обладала определённым набором свойств.

Протон и нейтрон должны быть очень близки по массе: настолько близки, что у связанного состояния протона и нейтрона, т.е. у дейтрона масса должна быть меньше, чем у двух протонов по отдельности.

Электрон должен быть менее массивным, чем разница масс протона и нейтрона, иначе нейтрон был бы абсолютно стабилен.

Более того, электрон должен быть намного, намного легче протона или нейтрона. Если бы он имел сравнимую массу, то атомы были бы не только намного меньше (вместе со всеми связанными с ними структурами, построенными из атомов), но электрон проводил бы так много времени внутри атомного ядра, что спонтанная реакция слияния протона с электроном с образованием нейтрона была бы быстрой и вероятной, а соседние атомы спонтанно сливались бы друг с другом даже в условиях комнатной температуры. (Мы видим это на примере мюонного водорода, созданного в лаборатории).

И, наконец, уровни энергии, достигаемые в звёздах, должны быть достаточными для того, чтобы атомные ядра внутри них подверглись ядерному синтезу, но не может быть так, что всё более тяжёлые атомные ядра всегда более стабильны, иначе мы получили бы Вселенную, заполненную сверхтяжёлыми и сверхкрупными атомными ядрами.

Существование Вселенной, богатой разнообразными атомами, но с преобладанием водорода, требует наличия всех этих факторов.

Анатомия очень массивной звезды на протяжении всей её жизни, кульминацией которой является сверхновая типа II (с коллапсом ядра), когда в ядре заканчивается ядерное топливо. На последней стадии термоядерного синтеза, как правило, происходит горение кремния, в результате чего в ядре на короткое время образуется железо и железоподобные элементы, после чего возникает сверхновая. Наиболее массивные сверхновые с коллапсом ядра обычно приводят к образованию чёрных дыр, а менее массивные — только нейтронных звёзд.

Если бы разумное существо из другой Вселенной впервые столкнулось с нами и нашей реальностью, то, возможно, первое, что мы хотели бы донести до него, — это то, что мы состоим из атомов. Что внутри всего, что состоит из материи в этой Вселенной, есть крошечные, маленькие образования — атомы, которые сохраняют основные свойства, присущие только данному виду атомов. Можно варьировать массу ядер внутри этих атомов и получить один и тот же вид атома, но если изменить их заряд, то получится совершенно другой атом. И что все эти атомы вращаются по орбитам с таким количеством отрицательно заряженных электронов, которое необходимо для точного уравновешивания положительного заряда в ядре.

Изучая поведение и взаимодействие этих атомов, мы можем понять практически все молекулярные и макроскопические явления, возникающие на их основе. Рассматривая внутренние компоненты этих атомов и то, как они собираются, мы можем узнать о фундаментальных частицах, силах и взаимодействиях, которые лежат в основе нашей реальности. Если бы существовала только одна информация, которую можно было бы передать выжившей группе людей в постапокалиптическом мире, то, возможно, ни одна информация не была бы столь ценной, как тот факт, что все мы состоим из атомов. В каком-то смысле это самое чудесное свойство из всех, относящихся к нашей Вселенной.

Атомы и молекулы: что о них известно

Атомы и молекулы

С древних времен люди стремились изучить природу вещей, которые их окружали. Постепенно пришли к мысли о том, что все вокруг состоит из мельчайших частиц.

По мере развития науки появилось понятие об атомах и молекулах. Эти частички чрезвычайно малы, и невооруженным глазом их не разглядеть. Любое крошечное количество вещества, например, пылинка, содержит невероятно большое количество атомов и молекул.

Что же такое атом? Так называют мельчайшую химически неделимую частицу вещества, а также наименьшую часть химического элемента, которая отражает его свойства. Атомы очень маленькие: их размеры находятся в диапазоне от 1 до 5 ангстрем (обозначается — Å.). Один ангстрем — это 10⁻¹⁰ м.

Когда атомы только открыли, их считали самыми маленькими из возможных частиц. Но сегодня нам известна их внутренняя структура:

  • В центре каждого атома есть ядро с определенной массой. В нем находятся положительно заряженные протоны и нейтральные частицы нейтроны. Вместе их называют нуклоны.
  • Пространство вокруг ядра заполняют частицы с отрицательными зарядами — электроны.

Например, в атоме гелия есть ядро с двумя протонами и двумя нейтронами, а вокруг него двигаются по своим орбитам два электрона.

Атомы и молекулы

Мир атомов: Freepick

Элементарные или субатомные частицы во всех атомах одинаковы, отличается только их количество:

  1. Протоны — это частицы, которые имеют положительный электрический заряд. Условно его обозначают +1. Символ протона — p⁺.
  2. Нейтроны — это частицы, которые не имеют электрического заряда. У нейтронов он равняется нулю. Символ нейтронов — n⁰.
  3. Электроны — это частицы, которые имеют отрицательный электрический заряд. Условно его обозначают -1. Символ электронов — e, е⁻.

Ядра атомов заряжены положительно, так как в них находятся положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны. По величине заряд соответствует количеству протонов в ядре и равен порядковому номеру элемента в периодической системе.

Заряды протонов и электронов одинаковые по величине, но имеют противоположные знаки. В любом атоме число протонов и электронов равно. Поэтому заряд ядра и суммарный заряд всех электронов также равны, но имеют противоположные знаки. Следовательно, атом — электронейтральная частица.

Каждый известный атом обозначен специальным символом — латинской буквой. Все они представлены в периодической системе Д. И. Менделеева.

На современном этапе развития науки ученые стремятся разрушить атом, чтобы получить еще более мелкие частички. Однако они очень неустойчивы, и добиться их долговременного существования пока не получается.

Что известно о молекулах

Атомы различным образом соединяются друг с другом. Как из букв алфавита составляются тысячи слов, так одни и те же атомы образуют молекулы большого количества разных веществ, которые видим в окружающем мире.

Молекулой называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и способна к самостоятельному существованию. Каждая молекула строится из атомов, которые составляют ее массу:

  • Вещество (например, сахар) можно размолоть до состояния пыли, но все равно каждая из крупинок будет включать огромное количество одинаковых молекул сахара и сохранит свойства, которыми обладает вещество.
  • Даже если измельчить вещество до отдельных молекул (например, сахар растворить в воде), то вещество продолжит существовать и будет проявлять свои свойства (раствор будет сладким на вкус). Поэтому каждую самостоятельно существующую молекулу сахара можем называть веществом.
  • Продолжая дробление, будем разрушать молекулы на атомы.
  • Если же несколько атомов отделить, то разрушится вещество. Конечно, атомы не исчезнут, они станут частью других молекул, но сахар как вещество прекратит свое существование.

Таким образом, вещества не вечны, так как их молекулы не могут быть вечными. Однако их атомы практически вечны. В тех веществах и предметах, которые окружают нас сегодня, находятся атомы, которые существовали еще во времена динозавров, походов Александра Македонского и открытия Колумбом Америки.

Атомы и молекулы

Что такое молекулы: Freepick

Хоть молекулы и очень малы, их устройство определяют с помощью различных физических и химических методов. Чистые вещества состоят из молекул одного вида.

Если в физическом теле есть молекулы разных видов, то речь идет о смеси веществ. Когда в быту говорим о чистом воздухе, то называем так сложную смесь различных газообразных веществ. Химику придется серьезно поработать, чтобы выделить из нее отдельные чистые вещества.

Все вещества делят на простые и сложные:

  • Молекулы простого вещества состоят из одинаковых атомов (азот, кислород, аргон, озон).
  • Молекулы в сложном веществе составлены из атомов двух и более видов: углекислый газ, вода.

Часто физические тела состоят из молекул нескольких веществ. Их называют смесями. Важно не путать сложные вещества и смеси. Если в сложном веществе содержатся молекулы одного вида, то это не смесь.

Благодаря свойству атомов объединяться в разных вариациях количество веществ, как и видов молекул, бесконечно. Никто не сможет точно назвать число веществ, которые сегодня известны людям. Ориентировочно их количество исчисляется миллионами, а химики каждый день создают новые молекулы.

Таким образом все вещества, которые мы видим вокруг нас, состоят из молекул, а те, в свою очередь, построены из атомов. Ученым удалось исследовать мельчайшие частички — атомы — и подробно описать их структуру. Эти знания стали ключом к пониманию природы молекул и даже дали возможность создавать новые молекулы.

Глава 3. Как устроен атом и вообще весь мир

Да, друзья мои, атом делим! Эту радостную новость я вам сообщаю сразу.

Атом тоже являет собой составную конструкцию. Получается, что детальки тоже устроены из деталек, только более мелких. Почему же греки называли атом неделимым? Мы уже знаем ответ: потому что деление мельчайшей крошки вещества – атома – приводит к тому, что вещество перестает существовать в своем привычном виде! Как перестает существовать автомобиль, если его разобрать на отдельные части – колеса, поршни, гайки, рычаги…

Все в мире сделано, как мы уже выяснили, из примерно сотни атомов (химических элементов). А сами атомы? Они состоят всего из трех деталек, только в разных сочетаниях.

В это трудно поверить, но все многообразие окружающей нас природы – звезды, планеты, мама с папой, хлеб, собака, воздух – это всего лишь разные наборы трех частичек, которые сначала складываются в атомы, а уж затем атомы составляют молекулы, строящие мир. Но в основе мира – всего три частицы. Частицы эти называются элементарными.

Опять возникает это слово «элементарные»!

Простейшие химические вещества, которые занесены в таблицу Менделеева, называют химическими элементами. И частицы, из которых сделаны эти элементы, тоже называются элементарными.

А имена у них есть?

Протон, Нейтрон, Электрон. Вся святая троица.

Но прежде, чем рассказать про них подробнее, я отвечу на закономерный вопрос, который должен был снова у вас возникнуть: а из чего сделаны элементарные частицы? Может, они тоже из каких-то еще более мелких деталюшек состоят?

Не вдаваясь в ненужные подробности, отвечу так: нет! Не состоят!

– Позвольте! – скажет мне какой-нибудь умный ребенок, поправляя пальчиком круглые очки. – Позвольте! Весь мой опыт говорит о том, что если по чему-то сильно стукнуть, оно развалится на части. Чашка на осколки, молекула на атомы, атомы – на эти ваши элементарные частицы. А если стукнуть по частицам, на что они развалятся, гражданин хороший?

– Какой умный мальчик! – отвечу я с некоторой робостью. – Проник в самую суть вещей! Стукнуть, говорит, надо. Именно так и поступают физики, когда изучают частицы! Они разгоняют их в специальных ускорителях и стукают друг об друга. А чем их еще стукнуть, чтобы разломать, если они – самые маленькие в мире? Вот их друг об друга и стукают.

И как вы думаете, что получается?

Элементарные частицы не разваливаются на составляющие, а превращаются в другие элементарные частицы. Причем эти превращения, которые называют ядерными реакциями, зависят от скорости, до которой разогнали частицы. То есть от той энергии, которую частицам сообщили. Дело в том, что энергия (скорость) может превращаться в вещество, в массу. И более того – при глубоком рассмотрении оказывается, что это одно и то же – энергия и масса, представляете! Мир един. Но об этом мы поговорим позже.

А сейчас познакомимся поближе с элементарными частицами. Они ужасно милые! (Вообще говоря, элементарных частиц довольно много. Но главных, из которых сделано все вещество в мире, всего три, как уже было сказано. Ими мы и займемся, а остальной вселенский мусор оставим взрослым физикам.)

Давайте с электрона. Он самый маленький, а маленьких обижать нельзя.

Итак, под свет прожекторов на сцену нашего внимания, раскланиваясь, выходит электрон. Что мы можем о нем сказать? Какого он цвета? Он шершавый? Он влажный, твердый, газообразный? Он теплоемкий?

Нет! Все те свойства, к которым мы привыкли в нашем большом мире (он называется макромир), не имеют никакого отношения к миру элементарных частиц (микромиру). Нет в микромире ни цвета, ни запаха, ни шершавости, ни твердости. Это все свойства макромира. Все эти свойства складываются из множества частиц, это макросвойства. А по отдельности частицы этих свойств не имеют.

А что же они имеют?

Ну, что есть у того же электрона? Ведь какие-то свойства у него должны быть! Иначе бы его не существовало! Ведь существовать – это значит проявлять себя как-то, то есть иметь свойства!

Да, некоторые свойства у электрона есть. У него есть масса. Про нее мы уже говорили – электрон очень легонький, самый легонький из всей троицы.

Электрон в 1820 раз легче протона. Для сравнения: если протон – это танк, то электрон – это одна канистра с топливом. Если протон – человек, то электрон – это авторучка в его кармане. Вот такая разница в массе.

Заметили, кстати, новый физический термин необыкновенной сложности – «масса»? Я его как бы между делом ввел. Надеюсь, не огорчил.

Что это такое? Масса – это просто количество вещества. Чем тело тяжелее, тем оно массивнее. Папа массивнее ребенка. Танк массивнее автомобиля. Солнце массивнее Земли.

Массу не нужно путать с весом. Хотя многие взрослые путают. Даже генералы и начальники. А, может, и сам президент. Между тем это совершенно разные вещи! Вес – это сила, с которой Земля притягивает массу. Сила, с которой массивное тело давит на опору, на которой лежит, или растягивает подвес, на котором висит. В космосе, в невесомости никакого веса нет, потому невесомость так и называется. Но все равно даже в невесомости толстый космонавт гораздо массивнее щуплого. И если они оттолкнутся друг от друга, то полетят в разные стороны с разными скоростями – толстый медленно, а щуплый быстро! Потому что количество вещества в их телах разное, в толстом вещества много, а в худом кот наплакал.

Вес и масса физиками даже измеряются в разных единицах – масса в килограммах, а сила в особых единицах – ньютонах. Массу определяют с помощью весов, а силу с помощью специальных приборов – ньютонометров. Усекли?

Массу ученые люди еще называют мерой инертности тела. Действительно, массивное тело очень инертное, чтобы его разогнать, нужно много усилий потратить. А легкое тело и разогнать легче, его инертность мала.

Электрон очень легок. Его масса составляет столь мизерную величину, что ее написание потребует от меня особой внимательности – чтобы в нулях не ошибиться:

0,0000000000000000000000000009 грамма – вот сколько весит электрон.

А еще у электрона есть размер. Он тоже крохотный:

0,00000000000000001 миллиметра – вот какого электрон диаметра.

Электрон можно представить себе, как маленький шарик, который вращается вокруг своей оси. Этакая малюсенькая планетка.

Причем, как вы понимаете, электрончик может вращаться или в одну сторону, или в другую, как это показано на рисунке ниже. И это тоже одно из свойств электрона – левое вращение или правое. По-научному вращение электрона называют спином. Не спиной, поскольку никакой спины у шарика нет, а спином. Спин – это собственное вращение электрона, от английского слова «spin» (вращение).

Если в винтовочном стволе правая нарезка, то вылетевшая из ствола пуля будет иметь вращение вправо. А если левая – влево. Теперь представьте, что мы стреляем в мишень, свободно закрепленную в центре и могущую вращаться. В этом случае пули с правым вращением, впиваясь в мишень, будут передавать ей свое вращение, постепенно раскручивая в ту же сторону – примерно как отвертка крутит винт.

Если мы не знаем, в какую сторону крутятся вылетающие из ствола пули, можно поставить опыт, стреляя по крутящейся мишени. В какую сторону она завертится, в такую и пули крутятся.

Но спин – это сущая ерунда по сравнению с последним и самым загадочным свойством электрона. Свойство это называется зарядом. Но заряд не в том смысле, что электрон чем-то заряжен, как винтовка патроном, потому что патрон из винтовки можно вынуть. А этот загадочный заряд из электрона вынуть нельзя. Он ему присущ, он его часть. Он – главное его свойство. Электрон, собственно говоря, и есть заряд!

Что же такое заряд?

Этого никто не знает. Но зато мы знаем, как загадочный заряд проявляет себя. И вы сейчас это узнаете.

Давным давно люди заметили, что если кусочек янтаря натереть шерстяной тканью, он начнет притягивать маленькие кусочки бумажки. Янтарь – это окаменевшая сосновая смола. Наверняка у вашей мамы есть янтарные безделушки – кулончик или сережки. Безделушки надо приспособить к делу! Возьмите кулон, тщательно выковыряйте из оправы желтоватый янтарь (маме он больше не понадобится), возьмите шерстяной носок, нарвите бумагу на крохотные кусочки. После чего, потерев янтарь, попробуйте притянуть им бумажные клочки.

Надеюсь, вам не влетит за смелые исследования.

На указанное явление впервые обратили внимание те же древние греки, весьма вдумчивый народец. По-гречески янтарь – «электрон». И вы, наверное, уже догадались, что за притягивание бумажек отвечают электроны, раз эти частички физиками были названы в честь янтаря.

Действительно, в этом простом эксперименте человечество впервые столкнулось с действием электрических сил, которые обусловлены электрическим зарядом.

Теперь-то мы к электричеству привыкли. Теперь мы без него жить не можем. Теперь у нас кругом розетки, которые больно бьют током догадливых детей, додумавшихся сунуть туда свой тонкий пальчик. Теперь нас просто окружает электричество, без коего и шагу не ступить. Стиральные машины, лифты, лампы, холодильники, троллейбусы и электрички, радиоприемники и телевизоры, заводы и фабрики – все работает на электричестве. Линии электропередач передают потребителям электрический ток, который вырабатывается электростанциями.

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.

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.

А почему, собственно говоря, разноименные заряды притягиваются? И почему одноименные отталкиваются?

Этого никто не знает. Но это так! Уж такое это свойство – электрический заряд. Именно так оно себя проявляет. Понять, почему именно так, на современном этапе развития науки нельзя, можно только привыкнуть. Привычка вполне заменят понимание. Можно сказать, что привычка и есть понимание. Привык – и вроде как понимаешь.

Электрон и протон – на вид очень разные ребята. И масса, и размер у них разные. А вот заряд одинаковый – заряд протона в точности равен заряду электрона, только знак имеет противоположный.

Что еще сказать о протоне? По сравнению с электроном он просто гигант! Если вы забыли, я напомню – протон в 1820 раз тяжелее электрона. И по размерам, соответственно, больше.

Поскольку плюс и минус притягиваются, протон и электрон притягиваются друг к другу и могут образовать пару, напоминающую звездную систему. Только в звездной системе планета кружится вокруг светила, а тут электрон будет кружиться вокруг протона.

Самая простая подобного рода система состоит из одного протона, вокруг которого крутится один электрон.

Аналогичные, казалось бы, системы. Только одна из них (звездная) существует в макромире, а другая (атомная) в микромире. Но разница, тем не менее, есть. И состоит она, главным образом в том, что планета и звезда электронейтральны, то есть не обладают зарядом (никто еще не догадался потереть Солнце шерстяной тряпочкой). А электрон и протон обладают зарядом, то есть их притягивает друг к другу электрический заряд. А планету к звезде притягивает сила всемирного тяготения, которая действует на все массивные тела. Та самая, которая бросает вас на землю, когда вы спотыкаетесь и падаете. Та самая, которая неудержимо влечет вниз любимую мамину чашку, которую вы взяли без разрешения и уронили. Почему она на пол-то летит, свинья такая?

Все тела, имеющие массу, притягиваются друг к другу. И чем больше масса, тем сильнее.

Вообще-то говоря, электрон и протон тоже имеют массу и потому притягиваются друг к другу без всякого заряда. Но их массы такие крошечные, что не смогли бы устроить между ними устойчивую связь без помощи зарядов.

А знаете, что это такое у нас получилось – ну, когда один электрон мы запустили крутиться вокруг одного протона?

Это атом водорода.

Самый легкий химический элемент. Самое простое вещество на свете. Номер первый в таблице Менделеева. Всего-навсего один протон и один электрон – и вот мы уже имеем газ водород. Вообще-то, строго говоря, в атомарном состоянии водород как газ не встречается. Он существует в виде молекулы из двух атомов водорода – Н2. Два атома водорода сцепляются вместе и образуют молекулу газа по имени водород. Но это уже мелочи. Главное, что нам удалось собрать всего из двух элементарных частиц первое химическое вещество. Для этого даже третья элементарная частица не понадобилась – нейтрон.

Нейтрон – парень скромный. Он не обладает таким ярким характером, как протон, хотя они очень похожи. У нейтрона почти такая же масса, как у протона, и практически такой же размер. Но заряда у нейтрона нет. Он нейтральный.

А на фиг он тогда нужен?

И вправду, мы вон вполне удачно собрали первое, правда, пока самое простое вещество всего из двух элементарных частичек. Так зачем нужен нейтрон?

Разгадку этой загадки я открою чуть позже. А пока скажу обтекаемо: природе нейтрон зачем-то понадобился. И уже в следующем химическом элементе он присутствует.

Давайте попробуем собрать что-нибудь посложнее водорода!

Как? Простая логика подсказывает: если у нас в простейшем веществе две частички, надо добавить еще одну – третью. Вот вокруг нашего Солнца вращается около десятка планет. И поскольку атом напоминает планетную систему, давайте запустим вокруг протона еще несколько электронов.

Это будет сложновато! Я ведь не зря выше сказал, что заряды протона и электрона равны. Положительный заряд протона уже скомпенсирован отрицательным зарядом электрона, который кружится вокруг него. У протона уже силенки не хватит притянуть и удержать еще один электрон.

К тому же надо вот на что внимание обратить – атом водорода электронейтрален, то есть минусовый заряд электрона компенсируется в нем плюсовым зарядом протона. Потому и говорят, что для внешнего наблюдателя атом нейтрален. Все вещество, которое нас окружает, электронейтрально. А если случайно на нем накопится заряд, как на синтетической кофте, которую снимают через голову, или на янтаре, когда его шерстью потрешь, то вещество начнет притягивать мелкие предметы, потрескивать и даже искрить. Потрите резиновый воздушный шарик о голову, и он начнет волосы притягивать. Но это редкость, обычно вещество у нас в руках не искрит, не трещит, никуда ничего не притягивает и вообще ведет себя прилично. Нейтрально.

Поэтому если нам надо создать вещество, поимеем в виду, что оно должно быть электронейтрально, то есть число плюсиков в его атоме должно быть равно числу минусиков.

Значит, чтобы собрать что-то посложнее водорода, нужно в дополнение ко второму электрону на орбите всобачить ему в центр (в ядро) еще один протон. Потому что один протон два электрона не удержит, заряда не хватит. А два протона запросто удержат два электрона. И тогда все уравновесится – в ядре атома будет два плюсовых заряда от двух протонов, а вокруг будут крутиться два электрона с двумя минусовыми зарядиками. И в целом атом останется электронейтральным.

И таким образом что у нас получилось?

У нас почти получился гелий – вещество номер 2 в таблице Менделеева. До настоящего гелия ему не хватает только двух нейтронов в ядре. Добавим их, и получится гелий.

Природа устроила так, что количеству протонов в ядре атома приблизительно соответствует количество нейтронов. То есть если мы будем сооружать атом, например, с 10 протонами в ядре и 10 электронами на орбитах, то нам придется вдуть в ядро еще с десяток нейтронов. Балласт.

Поскольку протоны и нейтроны очень похожи (за исключением заряда), их часто называют одним словом – нуклоны. Ядро атома состоит из нуклонов, а вокруг кружатся в бесконечном вальсе электроны. Прелестно!

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.

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.

Иногда еще атомную массу называют атомным весом.

Мы знаем, что вес и масса – разные вещи, но так сложилось в науке, что атомный вес является синонимом атомной массы. Примем это как данность. Жалко что ли? Мы же говорим «чайник закипел», хотя кипит вовсе не чайник, а вода в чайнике.

Так вот, каков атомный вес водорода? Одна атомная единица! Потому что в его ядре один нуклон. А у гелия? Четыре! Потому что в ядре гелия четыре нуклона – две гирьки протонов, а еще и две гирьки нейтронов. (Электроны при определении атомного веса не учитываются из-за чрезвычайной легкости.)

Проще говоря, атомная масса, которая указана возле каждого элемента в таблице Менделеева до запятой – это общее количество нуклонов (протонов и нейтронов) в его ядре.

Посмотрите, в ядре атома золота 196 частиц. Протонов там, как мы уже выяснили, 79 штук. Все остальное – нейтроны. Возьмите калькулятор и посчитайте… Не хотите? Ну, ладно, я за вас посчитаю:

Получается, у золота 117 нейтронов в атоме.

Внимательный детский глаз может, еще раз оглядев клеточку золота, вырезанную из менделеевской таблицы, послать сигнал в хитрый детский мозг, и мозг озаботится ненужным вопросом:

– Дяденька писатель! А что там еще за цифры стоят после запятой? Ну, после 196?

Ох, не хотел я вам этого говорить, дети, хотел утаить, но раз к стенке приперли, придется расколоться.

Это очень трудно, друзья мои! Не каждый взрослый об этом знает! А вы поймете за одну минуту.

В обычном нормальном атоме золота, как мы уже выяснили, 117 нейтронов и 79 протонов. Но иногда встречаются атомы-уродцы. Довольно редко. У них есть лишние нейтроны. Как иногда у людей бывает по шесть пальцев на руках. Нечастое явление.

Предположим, на тысячу нормальных атомов приходится один дефектный. И если в норме в атоме золота 117 нейтронов, то иногда встречаются «вспухшие» уродливые атомы, в которых 118 нейтронов. Все помидорчики как помидорчики, а у одного помидора какой-то уродский вырост на боку. Ничего, мы и такой съедим.

Атомы-уродцы называют изотопами. Именно из-за них, кособоких паразитов средний вес всех атомов отличается от целого числа. Что понятно: если у нас из десяти атомов все десять имеют атомный вес в 6 единиц, то и средний атомный вес будет равен ровно шести:

А вот если один из десяти атомов имеет вес в 7 единиц, средний вес изменится:

(6+6+6+6+6+7+6+6+6+6): 10 = 6, 1

Видите, после запятой появилась циферка, которая говорит о том, что не «все шестерки одинаковы».

Если вы внимательно посмотрите на атомные веса элементов в таблице Менделеева, то увидите, что все они не являются целыми числами. Значит, каждое элементарное вещество имеет уродливые атомы. Даже водород. Хотя, казалось бы, проще водорода ничего быть не может – один протон, вокруг которого крутится один электрон, вот и весь атом. Эта не какой-нибудь свинец, у которого в ядре больше двух сотен нуклонов, а вокруг этого огромного ядра кружится больше восьмидесяти электронов!

Однако все же бывают атомы водорода, в ядре которых, кроме протона, есть еще и нейтрон. Один. А порой и два! Такой водород называют тяжелым. Потому что его атом тяжелее обычного.

На рисунке ниже нарисованы атомы нормального водорода и редкие уродики, а также написано, как эти уродики называются.

Но так как атомы-уродцы встречаются редко, говорить мы о них пока прекращаем. Я рассказал вам про изотопы лишь затем, чтобы объяснить наличие циферок после запятой. Вы на эти циферки просто внимания не обращайте да и все.

Вы теперь и так знаете слишком много! Вы представляете, по каким принципам строится вещество. Берите любой атом из таблицы Менделеева и рассказывайте про него маме или даже папе. Задавайте контрольные вопросы. Проверяйте усвоенный материал.

А пока взрослые морщат лоб и мычат в свое оправдание что-то типа «я, конечно, в школе учи-и-ил, но забы-ы-ыл», мы с вами возьмем сейчас тот же хлор и натрий, из которого ранее соль поваренную делали, и посмотрим, что тут к чему.

Натрий. Легкий металл. Как он сделан? Его номер 11-й. Значит, 11 протонов и 11 электронов. Атомный вес натрия – 22. То есть в ядре 22 нуклона.

22 нуклона минус 11 протонов = 11 нейтронов. Все. Атом натрия готов.

Теперь хлор надо собрать по инструкции дяденьки Менделеева.

У хлора номер 17. То есть 17 протонов и 17 электронов. Атомный вес (число нуклонов в ядре) – 35.

35 – 17 = 18 нейтронов. Все, собрали хлор.

Теперь соединяем два этих атома – хлора и натрия, – зацепив один за другой колечками самых дальних электронных орбит, и получаем сложное вещество – молекулу поваренной соли.

Так строятся все вещества – сцепляясь дальними орбитами электронов. При этом дальние электрончики, которые крутились на этих орбитах, становятся как бы общими для обоих ядер.

Все, можно стереть пот со лба. Мы освоили химию и физику элементарных частиц. Слава Менделееву! Науке слава!

Теперь осталась одна маленькая деталь, которую нужно знать каждому приличному ребенку. Один маленький штрих, который завершит картину мироздания, сделав ее в ваших блестящих глазах более полной и блестящей.

Итак, мы знаем, что практически все окружающее нас вещество электронейтрально. Если вы дотрагиваетесь до шкафа, он не бьет вас током. Потому что в веществе шкафа количество положительных зарядов равно количеству отрицательных. Его атомы электронейтральны.

Но что будет, если атом потеряет один или два электрона? Вот такой рассеянный атом. Может такое быть? Может! Какое-нибудь сильное воздействие может парочку электрончиков у атома оторвать.

Вы скажете (подсмотрев в таблицу Менделеева):

– Ха! Даже если такое случится, невелика потеря! Вокруг ядра атома могут крутиться под сотню электронов! Например, у радия их 88. Некисло так! Подумаешь, пару потеряет…

Однако потеря даже одного отрицательного заряда означает избыток заряда положительного. Если атом теряет электрон, значит у него остается один «лишний», нескомпенсированный протон. И атом в целом таким образом приобретает положительный заряд +1.

А если атом теряет два электрона, то он приобретает заряд +2.

Бывает и наоборот – когда к атому присоседится какой-нибудь приблудный лишний электрон. В этом случае атом получает один отрицательный заряд —1.

Такие заряженные атомы называются ионами.

Когда происходит подобное? Из-за чего атомы могут, например, терять электроны?

Это бывает при высоких температурах, то есть тогда, когда атомы газа имеют большую энергию и скорости, носятся, как сумасшедшие, сталкиваются друг с другом. Мы ведь с вами помним, что частота и скорость соударений и есть температура. В обычном воздухе скорость соударений молекул невелика. А вот на Солнце раскаленный газ имеет температуру в тысячи (на поверхности Солнца) и даже десятки миллионов градусов (внутри нашего светила). Я сказал «на Солнце»? Это немного неточно. Скорее, «в Солнце». Потому что Солнце представляет собой раскаленный газовый шар. В основном оно состоит из водорода с небольшой примесью гелия.

Так вот в этих условиях скорость соударения атомов водорода такова, что «крышу срывает» у атомов на всю катушку. Атомы разрушаются, электроны слетают со своих орбит и начинают метаться одни, так же, как и протоны. Получается хаотическая электронно-протонная смесь или, иначе говоря, ионизированная плазма.

Плазма – горячая смесь ионов. Огонь – это тоже плазма. Только в обычном пламени костра или свечи содержание ионов не такое большое, как на Солнце, потому что температура ниже.

Я загрузил вас новыми словами – «ионы», «плазма». Но зато теперь вы можете похвастаться тем, что знаете целых четыре состояния вещества!

Первое – твердое. Атомы и молекулы в таком веществе крепко держатся друг за друга, никуда не бегают, а только чуть-чуть дрожат и топчутся на одном месте, образуя кристаллическую решетку.

Второе состояние вещества – жидкое. Здесь уже энергетика частичек вещества такова, что они ломают кристаллическую структуру, рушат тесные ряды и начинают хаотически бродить, будучи не в силах удержаться в твердой структуре. Растекаются. Но еще не разлетаются друг от друга.

Разлетаться они начнут в третьем состоянии вещества – газообразном, которое наступит при дальнейшем нагреве, то есть дальнейшей накачке вещества энергией. Тогда скорость атомов станет уже такой, что силы их притяжения не смогут сдерживать энергичность расшалившихся атомов. Они просто разлетятся друг от друга и рассеются в пространстве.

Если же газ собрать в каком-то закрытом объеме или просто удерживать мощной силой гравитации (как на Солнце) и продолжать нагревать, то энергетика атомов станет уже такой огромной, что при столкновении друг с другом будут разрушаться уже сами атомы – с них начнет срывать электронные шубы. И останутся только ионы, ионизированный газ – плазма. При этом газ начнет светиться, что говорит о его высокой температуре.

Протоны, нейтроны и электроны: строение атомов

В древние времена считалось, что все состоит из земли, воды и воздуха, другого — нет. И сравнительно недавно люди смогли показать всю составляющую нашего мира. Важным вопросом было: что из себя представляет вещество?

Вещество — это материя, которая есть во всех физических телах на нашей планете.

Оно может быть простым и сложным.

Различие этих двух групп состоит в том, что простые вещества состоят из одного вида атомов, а сложные — из нескольких, поэтому впервые в ходе реакций не могут раскладываться на другие атомы, как это делают вторые.

Образцом сложного вещества можно назвать воду (H2O). Если провести химическую реакцию, то оно образует 2 элемента — водород (Н) и кислород (О). То, что получилось, — простые вещества, без последующего разложения.

В 19 веке считалось, что сами элементы не поддаются изменениям и независимы от объединения. Но такие высказывания были опровергнуты русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым, который доказал обратное, при этом указав на то, что качественная характеристика каждого элемента влияет на его атомный вес, из-за чего происходит повтор их свойств. Это умозаключение он олицетворил в своей периодической системе, назвав в честь себя.

Таблица Менделеева

Атом — мелкая частица, которая не разлагается в реакции на другие компоненты.

Есть что-то меньше вещества — это атомы.

Атомы можно различать по нескольким параметрам (приведем самые распространенные):

  1. Масса;
  2. Размер;
  3. Физические хар-ки;
  4. Химические хар-ки;
  5. Энергия;
  6. Вес атома.

Любой атом отличается от частицы другого элемента. Если сравнить атом водорода (Н) с атомом кислорода (О), то, очевидно, что у них будет несоответствие по многим характеристикам.

Размер атома

Если сравнить размеры атома и составляющих его частиц, то первый преобладает по своим масштабам. Ядро атома — ничто, по сравнению с ним самим. Взяв один кубический метр платины (Pt) и сплюснув его до такого состояния, где атомные расстояния просто бы исчезли, то он его кубический метр превратился бы в кубический миллиметр.

Из определения атома следует, что это маленькая частица. По форме они напоминают шар, а размер их поперечников составляет стомиллионную долю сантиметра. Чтобы это было нагляднее, рассмотрим поперечник атома водорода (Н), считающийся самым маленьким. Его размер составляет 10-8 доле сантиметра. Большим атомом является уран (U), чья величина составляет 3 х10-8 долей сантиметра.

Масштаб и вес атомов небольшие.

Вес атома

Чтобы посчитать вес какого-либо элемента, принято использовать 0,0625 долю кислорода (О), которая показывает насколько значение этого элемента больше. Если обратиться к таблице Менделеева, то можно увидеть под номерами всех элементов цифру, обозначающую атомный вес. Например, у водорода (Н) он составляет 1,008 (значение округляется, поэтому 1),а у радия — 226,025 (или же 226).Тут можно проследить разницу веса.

На заметку: при работе с периодической таблицей учтите, что если у вещества номер выше, тем вес атома будет больше.

Чаще всего у многих их вес будет дробный. Это объясняется тем, что они вмещают определенное количество частиц со своим весом, но признаки у всех абсолютно идентичны. Но такое не только у атомов. То же самое есть и самих элементов. Их называют изотопами.

Изотопы — химические элементы, занимающие один порядковый номер, но разную массу ядер.

Изотопы есть практически у каждого элемента (у кальция (Са) их целых четыре), при этом, чаще всего, их выводят искусственным путем.

Изотопы

Элементарные частицы

Протоны, нейтроны

Протоны — положительно заряженные части ядра. Заряд равен заряду электрона. Вес составляет 0,0625 грамм.

Нейтроны — нейтральная часть ядра. Чтобы узнать их значение, нужно из атомного веса элемента вычесть значение протонов (= электронов).

Поскольку электроны отделены от своих “напарников”, кружась вокруг них, стоит уделить им отдельное внимание.

Электроны

Электроны — частицы, у которых самый маленький отрицательный электрический заряд.

До настоящего времени считалось, что атомы, разложенные из элементов, являются конечным продуктом. На сегодняшний день эта мысль была развеяна учеными, которые доказали, что даже эти разложенные атомы содержат в себе крохотные молекулы.

Обратимся к одной из гипотез, объясняющую вещественную структуру. Там говорится, что элементный атом — некая совокупность, где есть центр, вокруг которого происходит вращение других крупинок.

Начнем с рассмотрения окраин центра, а именно с электронных уровней и электронов.

Как и говорилось ранее, значение электронов такое же, как и у протонов.

Их можно сравнить с шаром , а диаметр 40 -13 сантиметров (что доказывает свою мизерность по сравнению с обычными атомами).

Электроны способны находиться в бездействии. Их масса при этом составляет 91 -27 грамм. Это подчеркивает скудность инертных свойств, благодаря которым электроны способны быстро вращаться вокруг свой оси.

Масса электрона зависит от его скорости. Поговорив про массу “покоя”, которая есть у всех тел на Земле, нужно посмотреть и на массу “скорости”. Когда электрон занимается перемещением, то он образовывает электромагнитное поле. Оно играет большую роль, ибо именно из-за проявления ее инертных свойств набирается масса и энергия, передавая это все частицам. Сделаем вывод, что ускоренный динамизм этой частицы, приводит к набору его веса.

Но перемещение электронов не происходит ровно. Научно доказано, что эти частицы двигаются волнообразно из-за интерференции и дифракции.

Интерференция электронов — слияние нескольких волн электронов.

Дифракция электронов — волновое обтекание области места, через которое проходит ток.

Помимо того, что электроны двигаются волнами, так еще они крутят вокруг самих себя. Крутящееся и волновое движение говорит о нем (электроне) как о некоем магните.

Все три вида элементарных частиц фигурируют в постоянном обменивающемся контакте. Между электроном и протоном возникает связь, заставляющая их содействовать, поскольку их заряды противоположны, а вот две одинаковые частицы (например, два электрона) отталкиваются, т.к. заряды одинаковы (так же и у протона).

Нахождение частиц у элемента

Найти у какого-либо элемента эти частицы несложно. Разберем это на примере алюминия (Al).

Алюминий в таблице Менделеева

Его порядковый номер — 13, соответственно, это есть ядро. Атомная масса алюминия составляет 26,98154 (значение округляется, поэтому 27). Протоны равны массе заряда (р=13), так же и электроны (е=13). Чтобы узнать значение нейтронов, нужно из атомной массы вычесть значение заряда ядра (n=27-13=14).

Взаимосвязь частиц

Каждая частица имеет свое электрическое поле, через которое оно “соприкасается” с остальными. Такие поля можно обозначить определенной материей, в которой, помимо этих частиц, есть и другие, наполняющие эту материю — фотоны.

Фотон — частица, не имеющая массы. Является переносчиком электромагнитного “общения”.

Фотон

Все они имеют конкретный запас энергии. Именно через фотоны происходит коммуникация частиц. В такой связи происходит “бартер” фотонами, что служит для хорошей энергетической силы, то есть взаимосвязи частиц.

И в самом ядре происходит “общение” протона и нейтрона, но здесь уже нет электрического поля, поскольку нейтрон его не образовывает. Здесь все проходит при помощи особого поля, исходящего от ядра.

Ядерное поле — вид материи, который состоит из протонов, нейтронов и мезонов.

Мезон — частица, которая способствует взаимодействию протонов и нейтронов, а также влияет на то, чтобы эти частицы оставались в ядре.

Благодаря мезонам, протоны и нейтроны способны внутри своего ядра передавать определенную информацию путем ядерной силы. Ее работа в ядре происходит на определенной дистанции (приблизительно сантиметров).

Ядерная сила — сила влияния протона и нейтрона друг на друга.

Ядерные силы, происходящие внутри ядра, способны делать из протонов нейтроны и наоборот при помощи мезонов.

Можно сказать, что ядерные силы намного мощнее электрических, но вместе они не дают протонам выйти за границы ядра. Несмотря на то, что частицы сопротивляются, объединение двойной силы подавляет их, при этом создавая крепкое ядро. Из-за них и зависит его прочность.

Все три частицы называются элементарными, потому что их невозможно разложить на другие упрощенные элементы, но они могут становиться и образовываться друг из друга.

Химическое строение атомов

Работа электрона

Структура водорода (Н) заслуживает внимания. Это единственный элемент, который содержит в себе две частицы — один протон, находящийся в ядре, и один электрон, вращающийся вокруг него. Но даже тут есть нюанс: у электрона нет определенного барьера, отгораживающего его от окружающей среды.

Путь электрона вокруг ядра достаточно пластичен и поддается изменениям (причиной может стать увеличение массы электрона). А поскольку в ядре и на оболочке противоположно заряженные частицы, то они имеют свойство присоединяться. Но есть один момент: когда отрицательно заряженная частица облетает ядро, то образовывается центробежная сила, которая пытается максимально отдалить частицу. Все эти моменты создают спорную ситуацию.

Получается, что электрон водорода (Н) находится неподалеку от протона, сохраняя минимум своей энергии. Но если какая-либо частица вторгнется в данную схему, и водород (Н) отдалится от ядра, то его энергия станет больше, но не надолго. Дело в том, что электрон все равно будет пытаться вернуться на место, приближенное к ядру. Электрон таким действием (переходом на другую орбиту) предоставил определенную часть своей энергии — лучистой энергии.

Если электрону дадут энергию, то он перейдет на другое место (чем больше энергии, тем дальше от протона). При этом, когда он будет возвращаться к ядру, то будет происходить активная выработка электромагнитной энергии с последующем излучением.

Когда ученые наблюдали за такими переходами этой частицы, они сделали вывод, что как и в любом элементе, так и в водороде (Н) электрон может совершать отойти только на конкретный круг, опираясь на полученное извне питание.Слои, на которых электрон способен перемещаться, называют дозволенными.

Работа протона и нейтрона в ядре

Как говорилось ранее, протон и электрон водорода (Н) — разноименные и аналогичные по значениям, поэтому их совместный заряд составляет — ноль. Из этого выходит, что водород (в обычном его состоянии) — нейтральная частица.

Такой вывод относится ко всем элементам из таблицы Менделеева. Все их атомы в нормальном состоянии нейтральны из-за равновесия разных зарядов.

Вернемся к ядру водорода (Н). Известно, что в нем находится только один протон. Обратимся к массе ядра.

Масса ядра — общее число протонов и нейтронов внутри ядра. Ее можно найти у всех элементов периодической таблицы.

Согласно этому, масса ядра водорода тоже будет составлять один (так как есть 1 протон и полностью отсутствуют нейтроны).

Что говорилось выше, относилось к природному водороду (Н), равному единице. Но существует еще и тяжелый водород (Н) — он же изотоп дейтерий (2H, имеет название тяжелого водорода). Масса равна двум. Если в ядре простого водорода (Н) всего лишь один протон, то у дейтерия — дейтоны.

Дейтон — объединение протона и нейтрона в ядре.

Водород и его изотопы

В природе обычный водород (Н) может вмещать в себя дейтерий, но в очень маленьком количестве (на 6 000 атомов Н один 2H). Но есть еще более тяжелый изотоп водорода (Н) — тритий (³Н, сверхтяжелый водород). В его ядре уже не одна, и не две частицы, а три — два нейтрона и один протон, между которыми есть ядерная сила. Масса трития составляет три. Получается, что он в целых три раза превосходит самый легкий водород.

Электронная оболочка

Несмотря на то, что вес водорода и его изотопов различается, их объединяют некоторые общие свойства. Например, если самый простой водород (Н) вступит в связь с кислородом (О), то получится вода (Н2О). То же самое происходит и в цепи дейтерия ( 2H) и кислорода (О). У этого изотопа тоже на выходе получается вода, но тяжелая, которая пользуется спросом в производстве атомной энергии.

Из примера можно сделать вывод, главную роль в химических свойствах играет электронная оболочка и ее устройство, а не массу ядра. Водород и его изотопы несут в себе разную массу, но общее у них — это электроны возле ядра, которые и сохраняют идентичные свойства.

Водород (Н) взял первое место в менделеевской таблице. Такое решение было неслучайным. Как мы знаем, порядковый номер напрямую зависит от числа заряда ядра. То же самое и у водорода (Н) (номер в таблице — один = заряд ядра — один). Если правильно сказать, то: всякое вещество, занимающее место в периодической таблице Менделеева, имеет свой порядковый номер, соотносящийся заряду ядра и числу электронов на его оболочках.

Из всего сказанного получается, что водород (Н), занимающий первое место, имеет заряд ядра — +1 и один электрон на орбите.

Гелий и его изотопы

На втором месте в таблице стоит гелий (Не). Как и говорилось ранее про все элементы, его номер и заряд ядра однозначны, поэтому второй будет равен +2 (внутри ядра два протона), а оболочка будет содержать два электрона.

Как и все составляющие таблицы, гелий (Не) имеет изотопы. Их целых девять, но самыми стабильными из них считаются легкий и тяжелый, поэтому ими пользуются чаще. Рассмотрим первый.

Легкий гелий (³Не, еще имеет название гелион). Масса его ядра составляет 3, состоит из двух протонов, одного нейтрона и трех электронов на оболочке. Считается, что содержание гелиона в природном гелии 1/1 000 000 тяжелого гелия. Выводится искусственным путем.

Тяжелый гелий (⁴Не). Считается самым востребованным из всех изотопов гелия (Не). Ядро содержит два протона и два нейтрона, а на орбитах расположены четыре электрона.Образовывает около 99% гелия на нашей планете. Есть забавный факт про это вещество: если охладить его (-271 ºС) и поместить в открытую емкость, то этот изотоп вытечет из нее.

Затруднение состава атома в элементе обусловлено возрастанием объема элементарных частиц: протонов и нейтронов в ядре и электронов на оболочке. При помощи таблицы Менделеева можно узнать все эти необходимые данные об элементе (а именно про частицы).

В науке доказано, что легкие элементы имеют большое преимущество: их ядра, содержащие одинаковое количество протонов и нейтронов, считаются самыми крепкими, поскольку ядерная сила превышена, чем у остальных. Рассмотрим тяжелый гелий (⁴Не). В его составе располагаются два протона и два нейтрона, соответственно, у него неплохая прочность, точно так же, как и возникающая сила ядра.

Такие тяжелые вещества содержат разное количество частиц (протонов, нейтронов и электронов), из-за чего в ядре контакт между ними теряется, чего не происходит в легких. В тяжелых элементах возможно расщепить их ядра при разрыве атомных бомб.

Радиоактивные элементы

У тяжелых элементов есть и подразделение радиоактивных. Они отличаются тем, что их ядра настолько непрочны, что они способны самостоятельно расщепляться на отдельные частицы. Радий (Ra) — самый известный радиоактивный химический элемент. Его порядковый номер — 88. Масса атома равна 226 (если быть точнее, то 226,025).

Состав протонов в ядре — 88, а нейтронов — 138. Все они занимаются распадом, где позже они трансформируются в атомы радона (Rn, радиоактивный газ, номер в периодической таблице — 86). Все происходит точно так же: атомы радона (Rn) занимаются распадом, после чего тоже преобразовываясь в другие элементы.

Электронные оболочки

Электронные оболочки — это тоже важная часть, без которой представление какого-то химического элемента просто не было бы. Как было рассмотрено ранее, электроны единственные, кто размещен за ядром, при этом крутится вокруг него, собираясь определенными группами по разным “отсекам”.

Познание с ядрами и их частицами подошло к концу, поэтому теперь стоит уделить внимание тому, что находится за пределами этой главной точки.

Нахождение электронных оболочек и его содержимого

Чтобы определить количество электронных слоев элемента, нужно обратиться к его номеру периода. Например, алюминий (Al) с порядковым номером 13, находится в третьем периоде, поэтому число его слоев равно 3.

Еще одной удивительной характеристикой оболочек является закрепленное число электронов, которые могут находиться на слое. На первой орбите могут расположиться два электрона, на втором — восемь, на третьем — 16 и т.д. (с каждым разом нужно умножать на четыре).

Электронная оболочка атома

Завершенным считается тот слой, который достиг окончательного предела. Электроны, которые расположены дальше всего от ядра, более активны, поэтому предпочитают вступать в контакт с другими атомами (научно это можно назвать валентностью). Число электронов на внешней оболочке зависит от номера группы. Например, бор (В) имеет заряд — +5, он находится во втором периоде, поэтому количество электронных слоев равно двум. Первый слой равен двум, а второй — трем, поскольку бор (В) находится в 3 группе.

Когда электронный слой полностью заполнен, то он считается стабилизированным. Это говорит о том, что атому не требуется брать дополнительные силы (электроны) из окружающей среды или других веществ. Если взять гелий (Не), у которого два электрона, находящиеся на одной оболочке, а у неона (Ne) электронов десять, располагающиеся на двух электронных слоях(на первом — 2, на втором — 8). Из этого выходит, что и гелий, и неон полностью заполнены, поэтому они не нуждаются в посторонней помощи, так как их оболочки завершенные. Такие элементы являются инертными в химическом плане (не идут на контакт с другими элементами, чтобы “занять” или “обменяться” этими частицами).

Но таких самодостаточных элементов достаточно мало, больше всего тех, где на внешней оболочке будет не хватать электронов, поэтому такие элементы охотнее прибегают к воздействию с другими. Калий (К) имеет 19 электронов, находящихся на четырех слоях (первый — 2, второй — 8, третий — 8, четвертый — 1). Больше всего интересует последняя оболочка. Поскольку там всего лишь один электрон, который очень далеко от ядра, то последнее не в силах удержать электрон, поэтому он с легкостью может перейти к другому элементу.

Если же взять кислород (О), у которого восемь электронов и две электрические оболочки (на первом — 2, на втором — 6). Как видно, второй слой является незавершенным, до предела ему не хватает еще двух частиц. Кислород пытается сохранить недостающее число, а также найти два электрона, чтобы завершить свой последний круг. Это может произойти в реакции с другими элементами, у которых внешний слой тоже является незавершенным и достаточно отдаленным от ядра, чтобы тот, в свою очередь, не пытался что-либо удержать.

Элементы с проблемой недостатка электронов довольно энергичны в реакциях друг с другом, поскольку у них есть потребность в присоединении или отдаче нужного числа электронов.

Распределение электронов по слоям

Размещение электронов на оболочках происходит в установленном для них порядке. Если же получается, что частица изменяет свое местонахождение или число, то электронный слой просто меняется (а именно его физические и химические свойства).

Одинаковое число протонов и электронов в элементе является доказательством того, что общий заряд (электрический) равняется нулю.

Изменение количества двух этих частиц способно привести к тому, что атом преобразуется в электрически заряженный.

Если же у атома возникает проблема с большим объемом электронов, он меняется на отрицательный ион.

Ион — заряженная молекула. Ионы бывают катионами и анионами. Есть во всех веществах.

Катион — положительный ион.

Анион — отрицательный ион.

Хлор (Cl), который вобрал в себя всего лишь один электрон, превращается отрицательным ионом (или же анионом). Такой ион будет считаться однозарядным, так как вместил в себя одну частицу. Писаться он будет уже так: Cl⁻.

Кислороду (О), чтобы стать отрицательным ионом, нужно присоединить два электрона. Он будет считаться двухзарядным. Записываться будет вот так: О⁻.

Когда атом превращается в ион, то для окружающего мира он является системой, которая электрически заряжена, что подразумевает появление определенного электрического поля, объединяющее и сам атом, и все происходящее в его зоне контроля. Это электрическое поле позволяет атому контактировать с другими такими же частицами, имеющими заряженность (ионы, электроны и т.д.).

Образование иона

Как и в остальных случаях, ионы, обладающие разными зарядами, притягиваются химически, что приводит к появлению новых, сложных частиц. Ими считаются молекулы.

Окисление

Степень окисления — заряд элемента, находящегося в соединении, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную.

Частицы в реакциях

Когда происходит химическая реакция, электроны либо объединяются, либо переходят к более отрицательному атому, чтобы стать заряженными.

Если бы вещества состояли только из ионов, то их заряды имели целые числа, которые равнялись бы количеству электронов (отданных или не отданных). Рассмотрим хлорид натрия (NaCl). Хлор (Cl) отнимает у натрия (Na) один электрон, при этом два элемента становятся ионами, но с разными зарядами. Натрий (Na) становится положительным, то есть катионом (записывается Na⁺¹), а хлор (Cl) — отрицательным, то есть анионом (записывается Cl⁻¹). Перейдем к соляной кислоте (HCl).

В этой паре хлор (Cl) считается самым отрицательным в электрическом плане, поэтому все два электрона (от водорода (Н) и от него) больше направлены к хлору (Cl), а если электрон водорода (Н) перейдет к хлору, что заряды будут полными, а не частичными как в первом случае. Правильная запись выглядит вот так: H+1CI-1.

Эти надстрочные значки и являются степенью окисления.

Правила записи степени окисления

Чтобы правильно записать степень окисления, нужно знать несколько правил:

  1. Степень окисления располагается над элементом справа;
  2. Первым делом записывается знак заряда (плюс или минус), не записывать его нельзя, это считается грубой ошибкой;
  3. После знака следует само значение;
  4. Даже если степень окисления равна +1 или -1, то она так и записывается без сокращения ( с сокращением, то есть + или -, пишутся только ионы);
  5. Заряд ионов записывается над ними справа;
  6. На первом месте в написании заряда стоит значение, а уже только потом знак.

Пример степени окисления: H+2O-2

Пример заряда иона: AL3+ii.

Вычисление степени окисления

Вычисление степени окисления проводится по некоторым пунктам, которых стоит придерживаться:

1.Есть элементы, у которых степень окисления неизменна, к ним относятся:

  • щелочные металлы (степень окисления всегда +1);
  • металлы из 2А группы (+2);
  • алюминий (FI+3) и бор (B+3);
  • фтор (F-1);
  • часто кислород (О) имеет степень окисления — 2, но есть исключение у пероксидов, где у кислорода (О) -1;
  • водород (Н). С неметаллами его степень равна +1, с металлами — -2.

2. Остальное в периодической таблице с плавающей степенью. Если рассмотреть хлор (Cl), то его значения нечетны: начиная от -1, заканчивая +7 (сюда входит +1, +3, +5). А вот у серы (S) все наоборот — она имеет лишь четные: от -2 до +6 (входит +2, +4).

Бывает такое, что соединение из трех составляющих. Ни в коем случае нельзя делать так, как в соединении двух элементов. Значение первого и последнего элементов известны, а значение третьего нужно считать по специальной формуле.

Пример

Возьмем Н3РО4 (фосфорная кислота).

Из правила водород (Н) будет +1, а кислород (О) — -2, осталось узнать о фосфоре (Р). Мы должны сложить все известные значения.

Здесь будем использовать уравнение.

(+1) × 3 + Х + (-2) × 4 = 0

Мы знаем, что сумма всех элементов должна быть нулем, поэтому приравниваем весь пример ему. Перед водородом (Н) стоит цифра 3, поэтому его степень умножаем на это число, то же самое и с кислородом (О). Фосфор (Р) у нас неизвестен, поэтому обозначаем его иксом. Дальше решаем обычным уравнением и вписываем полученное значение над ним.

Если говорить про степень окисления и валентность, то это абсолютно разные вещи. Первое имеет отрицательное или нулевое значения, а второе только положительное.

Ключевые мометы

Эта тема переплела два ответвления — физику и химию, показывая всю многогранность нашей природы и взаимосвязь этих наук. Как мы поняли, некоторые моменты до сих пор непонятны нам, но ученые не останавливаются на достигнутом, продвигаясь дальше. Данный предмет обсуждения, находящийся в этой работе — базовые понятия, написанные доступным языком.

Этот материал разбирал такие маленькие, но важные для нас моменты — атомы, которых мы не видим, хотя они влияют на все вокруг, даже на нас самих.

Чтобы лучше усвоить материал, здесь собраны ключевые моменты из текста, требующие особого внимания:

  1. Вещества бывают простыми и сложными;
  2. Атомы — это неразлагающиеся мелкие частицы;
  3. Чем выше порядковый номер у элемента, тем больше его атомный вес;
  4. Изотопы — химические элементы под одним порядковым номером, но с разной массой ядер. Есть у любого элемента;
  5. У атомов есть частицы (элементарные): протоны, нейтроны, электроны;
  6. Протоны — положительно заряженные частицы, находящиеся в ядре;
  7. Нейтроны — беззарядные частицы;
  8. Электроны — частицы, с самым маленьким отрицательным электрическим зарядом;
  9. Значение протона равно значению электрона;
  10. Чем быстрее скорость электрона, тем его масса больше;
  11. Движение электрона волнообразное, упорядоченное, при этом он вращается;
  12. Интерференция электронов — слияние нескольких волн электронов;
  13. Дифракция электронов — волновое обтекание области места, через которое проходит ток;
  14. Порядковый номер — это заряд ядра;
  15. У каждой частицы есть электрическое поле, позволяющее взаимодействовать с другими частицами;
  16. Фотон — переносчик электромагнитного “общения” частиц;
  17. Ядерное поле — вид материи, который состоит из протонов, нейтронов и мезонов.
  18. Мезон — частица, позволяющая протонам и нейтронам контактировать, а также удерживает их внутри ядра ядерной силой;
  19. Ядерная сила — сила влияния протона и нейтрона друг на друга;
  20. Ядерные силы могут из протонов нейтроны и наоборот при помощи мезонов;
  21. Ядерные силы мощнее электрических;
  22. Протон, нейтрон и электрон называются элементарными, потому что их невозможно разложить на более простые частицы, но они могут становиться друг другом и образовываться друг из друга;
  23. Если электрон отдалится от ядра, то он ненадолго образует энергию, но все равно вернется на свое место, тоже образовывая энергию, переходящую в излучение;
  24. Дозволенные слои — орбиты, на которые электрон может переходить;
  25. Дейтон — объединение протона и нейтрона в ядре;
  26. Легкие элементы считаются лучше, потому что их ядра прочнее из-за одинакового числа частиц;
  27. Число электронных слоев = номер периода;
  28. У каждой электронной оболочки есть определенное конечное число электронов, которое оно способно вместить;
  29. Те элементы, у которых оболочки не полностью заполнены, лучше вступают в контакт с другими элементами;
  30. Ион — заряженная молекула.
  31. Катион — положительный ион.
  32. Анион — отрицательный ион;
  33. Степень окисления — заряд элемента, который вычислен путем того, что в соединении ковалентная полярная связь превратилась в ионную;
  34. Есть элементы, чья степень окисления постоянна, а есть те, у кого она изменяется;
  35. Если сложить все степени окисления в соединении, то всё будет равно нулю.

Короткое, но познавательное видео про элементарные частицы:

Элементарные частицы: нейтроны, протоны, электроны. Действительно элементарные?

Когда речь заходит о том, из чего состоят различные окружающие нас объекты, мы сразу начинаем говорить о молекулах, затем об атомах. А из чего же состоят сами атомы? Так ли просто они устроены, как шарик, который мы видели на уроках химии и физике в школе? На самом деле, все не так уж и просто. Для простоты в самом начале скажем, что абсолютное большинство всех вещей в мире состоит из элементарных частиц. Почему не все? Дело в том, что далеко не вся Вселенная изучена человеком, поэтому мы не можем однозначно сказать, все ли состоит из частиц.

Например, свет — это волна, состоящая из элементарных частиц — фотонов, но раньше наука не могла такое сказать.

Теперь об этих самых частицах. Элементарные частицы — это такие частицы, которые человек сейчас расщепить на более маленькие не может, поэтому пока считается, что из них все и состоит. Таких частиц бывает огромное множество, но сегодня же мы будем больше говорить о наиболее популярных из них, а именно — нейтроны, протоны, электроны.

Где встречаются нейтроны, протоны, электроны?

Почему мы сказали выше, что эти три элементарные частицы считаются наиболее популярными? Все просто — из них состоит абсолютно любой атом. Если говорить об этом чуть более подробно, то атом состоит из двух частей:

  • ядро атома
  • электроны

В свою же очередь ядро атома включает в себя протоны и нейтроны. Таким образом, атом состоит из трех элементарных частиц, две из которых составляют ядро, а множество третьих вращается вокруг этого ядра.

Классификация элементарных частиц

Чтобы получше разобраться в том, какие бывают элементарные частицы и как они взаимодействуют друг с другом, нам нужно разделить их на группы по принципу схожести определенных свойств. Это и называется классификация. Сейчас все поймете.

Разделим по времени жизни

Делить какие-то там частицы по времени жизни звучит очень странно, ведь это неодушевленные предметы и о жизни здесь речь идти не должна. Вы будете абсолютно правы, имея такую точку зрения. Однако в данном случае имеется в виду не жизнь, как существование живого организма, а скорей пребывание в одном и том же состоянии. Если говорить проще, то не все из элементарных частиц могут сохранять свои свойства в течение большого отрезка времени, поэтому мы и решили их так разделить. Итак, разделить в данном случае можно на две группы:

  • стабильные (это те частицы, которые как раз могут очень долго сохранять свойства, некоторые даже говорят бесконечно долго). Сюда относятся электроны, фотоны, протоны и другие частицы)
  • нестабильные (а это те, которые через некоторый промежуток времени меняют свои свойства и переходят в другие формы). Сюда относятся все остальные виды частиц.

Разделим по тому, как они взаимодействуют

Интересно, что при довольно схожем строении, разные частицы могут взаимодействовать друг с другом совсем по-разному. Давайте посмотрим, как можно разделить элементарные частицы по такому принципу:

  • составные
  • бесструктурные

Действительно, частицы тоже бывают составные и фундаментальные (по сути самые простые), и от этого многое зависит. Давайте подробно разберемся с каждым из этих видов.

Составные частицы, которые по-другому еще называются адронами (вы наверняка слышали про Адронный коллайдер в Швейцарии) взаимодействуют со всеми частицами. Такое взаимодействие еще называют фундаментальным. Они в свою очередь тоже подразделяются на мезоны и барионы.

Теперь давайте поговорим о фундаментальных частицах. Здесь все гораздо более интересно, ведь таких частиц в мире открыто великое множество. Давайте для начала узнаем, на какие виды разделяются фундаментальные или же бесструктурные частицы:

  • кварки
  • лептоны
  • калибровочные бозоны

Теперь давайте остановимся на каждом виде отдельно и поговорим о нем более подробно. А начать предлагаем с кварков.

Кварки — это такие частицы, которые находятся в составе адронов. Отдельно их встретить ученым пока не удавалось, только в составе других частиц. Для того, чтобы их изучать, ученым приходится использовать различные хитрые методы. Они подразделяются еще на шесть подтипов, но о них сегодня мы говорить не будем. Интересной особенностью кварков является то, что они, являясь фундаментальными частицами, все же участвуют в сильных взаимодействиях.

Теперь давайте перейдем к лептонам (точечным частицам). Это тоже довольно важный вид бесструктурных частиц. Они в отличие от кварков уже не участвуют в сильных взаимодействиях. Однако именно заряженные лептоны все же могут принимать участие в взаимодействии электромагнитном. Здесь так же, как и в кварках, отмечается целых шесть подтипов.

Ну а теперь последний тип с довольно странным для многих названием — калибровочные бозоны. Это тоже немаловажный тип, ведь именно он служит своего рода посредником в различных взаимодействиях между частицами. Чтобы вам было легче запомнить, приведем несколько примеров таких частиц: фотон, гравитон и глюон.

Ядро протон нейтрон электрон

Отлично, когда мы уже знаем довольно много про то, как устроены остальные элементарные частицы, давайте вернемся обратно к протону, нейтрону и электрону. Теперь самое время поговорить об устройстве ядра атома.

Начнем с того, что в ядре атома собран весь его положительный заряд, который обеспечивается протонами. Несмотря на большой заряд, размеры ядра очень малы по сравнению с электронными орбитами (орбиты, по которым вращается электрон вокруг ядра). В среднем они колеблются от 10 в минус 15 степени до 10 в минус 14 степени. Как мы помним из школьного курса химии количество протонов атома — это номер Z атома и порядковый номер элемента в таблице Менделеева. Примечательно также то, что количество протонов и электронов в атоме всегда одинаково.

Наверняка вам очень интересно, почему ядро атома, которое тоже состоит из элементарных частиц, такое плотное. Дело в том, что связь между протонами и нейтронами не является ни гравитационной, и электромагнитной, но при этом она в несколько раз сильнее, чем связь между ядром и электроном.

Число протонов нейтронов и электронов

Как мы уже поняли выше, в атоме абсолютно всегда количество протонов и электронов равно. Это обусловлено тем, что заряд должен быть нейтрален, а значит и количество положительных должно равняться количеству отрицательных частиц (отметим, что заряд протона +1, а заряд электрона -1). Также напомним, что количество протонов дает нам порядковый номер в таблице Менделеева этого атома. Теперь поговорим о нейтронах. Можно ли каким-то образом определить их количество внутри атома? Конечно можно. Это можно сделать, зная массу атома и количество протонов. Нужно просто вычесть из массы атома количество протонов и мы получим количество нейтронов (иногда нужно округлять). Для примера возьмем Медь (Cu). Ее атомная масса примерно равна 64, а номер в таблице 29, значит количество нейтронов будет равно 64 — 29 = 35. Все очень просто.

3 протона 3 нейтрона 3 электрона

Теперь для того, чтобы получше разобраться в этой теме, давайте попробуем все понять на примере другого атома. Это, как вы могли уже догадаться, атом Лития. У него 3 протона, 3 нейтрона и 3 электрона. По той формуле, которую мы уже узнали выше, тут сразу можно понять, что примерная масса атома Лития будет равна 6 (3 нейтрона + 3 протона). Также мы сходу можем сказать, что номер Лития в таблице Менделеева тоже 3 (количество протонов).

Таблица Менделеева

Теперь давайте посмотрим на таблицу Менделеева, представленную выше. Действительно, у Лития именно 3 номер и масса равна 6,941.

Видите, как все легко и просто. Однако особенно внимательный читатель уже давно заметил ошибку. Действительно, округлив массу Лития мы понимаем, что здесь количество нейтронов будет равно 4. Как же так получается, что у нас 3 нейтрона. Это подводит нас к следующей теме, о которой мы сейчас и поговорим.

Протон изотоп нейтрон электрон

Наверное, на одном из школьных уроков вы слышали такой термин, как изотоп. В школе это была та самая тема, после которой я полюбил естественные науки. Сейчас я не могу дать однозначный ответ, почему, просто было очень интересно. Итак, изотопы.

Что такое изотоп

Если говорить просто, то Изотопы представляют собой измененную модель обычного атома какого-то вещества. То есть возьмем любой атом какого-то вещества. У него есть фиксированное количество электронов, протонов и электронов. Однако, как мы уже заметили выше, это количество может быть и другим благодаря существованию изотопов. У изотопов такой же порядковый номер элемента в таблице Менделеева, а значит, как мы уже поняли, у них точно такое же количество протонов. Однако, есть отличия в массе элемента, а значит и в количестве нейтронов. Теперь давайте узнаем, как нам пригодится эта информация и как определить, что перед нами изотоп какого-то элемента.

Как определить, что перед нами изотоп

Наверняка самые догадливые и внимательные из вас уже догадались, что обычная формула с определением количества нейтронов с изотопами не работает от слова совсем, ведь это уже измененная модель обыкновенного элемента. Раз так, то мы можем просто попробовать подставить данные по атому в нашу формулу и понять, работает она или нет. Если нет, то перед нами изотоп. Но естественно, для удобства ученые придумали специальные обозначения для изотопов, чтобы нам, обычным людям, было удобнее с ними работать и изучать их. Как же эти обозначения работаю. А очень просто!

У изотопов после названия еще дописывается количество нуклонов в ядре (то есть количество элементарных частиц внутри ядра, сумма протонов и нейтронов). Давайте разберемся на примере очень популярного изотопа урана-235, радиоактивного урана. Обычный же уран по сути называется уран-238.

Зачем нам это знать?

Как вы уже могли понять, все многообразие элементарных частиц не ограничивается таблицей Менделеева и элементами, которые в ней представлены. У некоторых элементов бывает сразу несколько популярных изотопов, поэтому если вы хотите действительно хорошо разбираться в этой теме, то и запоминание всех популярных изотопов не будет лишним. А эта таблица вам в этом поможет:

Таблица атомов

Отлично, теперь мы уже неплохо разобрались с массой атома, таблицей Менделеева и разобрали основные типы элементарных частиц. Пришло время поговорить о более серьезных вещах. О чем же?

Радиоактивность

Для многих, кто в школе проходил эту тему лишь вскользь, это понятие выглядит очень страшным и непонятным. Кроме того, у многих на ум приходят различные катастрофы, косвенно связанные с этим понятием. Ну кто из вас сейчас не подумал о Хиросиме или о Чернобыле? Однако мы сейчас будем развеивать все эти мифы и стереотипы и хорошенько разберемся в этой далеко не легкой, но при этом очень интересной теме.

Радиоактивность

Как это работает?

Для того, чтобы разобраться в чем-либо, нужно сначала понять, с чего все начинается. В данном случае все идет от превращения атомов, а точнее от превращения их ядер. Интересно здесь то, что процесс этот самопроизвольный, то есть для того, чтобы он начался, нужно все-таки воздействовать извне, но как только превращения ядер начались, их уже не остановить! Да, далее произойдет именно то, о чем вы думаете. Ядро, с которого и начнется этот необыкновенно интересный с одной стороны и ужасно опасный с другой процесс называется материнским. Соответственно, если радиоактивный процесс затрагивает какое-то ядро помимо материнского, оно будет считаться дочерним, а 2 ядра, между которыми произошел обмен, называют генетически связанными — все как у людей.

Что такое радиоактивный распад?

Разумеется, радиоактивный распад встречается и в природе, однако происходит он крайне редко и не приносит никакого весомого вреда. А вот искусственный распад — штука очень опасная, если уметь ей управлять. Вся суть в том, что самопроизвольно меняется количество элементарных частиц. Существует несколько типов распадов и зависит этот тип от того, какие частицы будет испускать наш атом. Если это будут 2 протона и 2 нейтрона, то это положительно заряженная частица, называемая альфа-частицей. Соответственно, такой распад будет называться альфа-распадом. А вот с бета-частицами все немного посложнее.

Существует сразу 2 типа таких частиц: электроны и позитроны. Если эта частица электрон, то она обязательно образована нейтроном, распавшимся на протон и электрон. Если же эта бета-частица позитрон, то она всегда образована протоном, который распался на нейтрон и электрон. Распад, при котором из атома вылетает бета-частица — это уже бета-распад. Существует еще и менее популярный тип распада (изомерный переход или гамма-распад), при котором из атома вылетают гамма-кванты. Тут все еще сложнее, ведь такой изомерный переход никогда не бывает один. О чем я говорю? Дело в том, что гамма-распад очень часто сопровождают и другие типы распада. Это происходит в тот момент, когда частица распадается в первый раз. На этом этапе могут произойти другие виды распадов, а уж только потом процесс переходит непосредственно к гамма-распаду.

А в природе где это все можно встретить?

Как мы уже сказали выше, в природе тоже встречается радиоактивность. Если немного подумать, то оказывается, что радиоактивны по сути все вещества, у которых нет стабильных изотопов (кто еще не знает, что это, почитайте о них выше). Так вот, ученые пошли еще дальше и подошли к этому вопросу системно. В итоге они получили, что оказывается по таблице менделеева радиоактивны по своей природе вещества, у которых номер 83 или больше. Однако это если мы говорим о тех веществах, которые однозначно радиоактивны.

А ведь встречаются и немного другие. Например среди элементов с атомной массой поменьше встречаются такие, у изотопов которых очень большой период полураспада. Для примера возьмем теллур-128. У обычного теллура номер в таблице Менделеева 52, а значит он не подходит под первую группу, верно? И это неудивительно, ведь его изотоп теллур-128 так стабилен, что его период полураспада примерно в 2 раза больше, чем( 10 в степени 15 миллиардов лет). Неплохо, верно? Спешим вас успокоить, это элемент с самым большим периодом полураспада, но все-таки это очень много, ведь наша земля в миллиарды раз моложе. А для чего нужны все эти цифры? Это как-то практически применимо? Ну конечно, с помощью этих данных можно определять возраст многих минералов, горных пород и даже возраст планет в космосе! А ведь вы еще не знаете, что же такое период полураспада. Давайте разберемся с этим важнейшим понятием.

А что такое период полураспада?

Говоря о том, где можно встретить радиоактивность в природе, мы затронули такой термин, о котором еще не говорили. Что-ж, это неплохой повод, что это сделать сейчас. Так вот, период полураспада — это такое время, за которое частица распадается.

Период полураспада

Но почему же именно ПОЛУраспад? Ну да, здесь все не так просто. Если говорить точнее, то это время, за которое она (частица) распадается с вероятностью 50 процентов. Теперь более понятно, верно?

Как вы уже могли догадаться у одной и той же частицы периоды полураспада могут отличаться в зависимости от изотопов. Однако для изотопа частицы это число постоянно.

Заключение

Как вы уже поняли, об элементарных частицах можно говорить очень много и говорить о них можно бесконечно много. Однако на этом наше небольшое вводное повествование о них предлагаем закончить. Если вам понравилась эта статья и вы хотите, чтобы мы публиковали больше материала на эту тему, то не забудьте проявить немного активности ниже. Напомним также, что на нашем сайте есть множество статей на смежные тематики, поэтому предлагаем вам с ними ознакомиться. До скорых встреч!

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *