Страница 115 — Глава 2. Электрические явления. § 31. Строение атома

По планетарной модели Резерфорда в центре атома находится очень маленькое положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Вокруг ядра на разных расстояниях движутся электроны, подобно планетам вокруг Солнца. В атоме гелия ядро состоит из двух протонов и двух нейтронов, а вокруг него движутся два электрона. Электроны заряжены отрицательно, ядро — положительно, поэтому электрические силы притяжения удерживают электроны около ядра. Число электронов равно числу протонов, поэтому атом гелия в целом электрически нейтрален.

В состав атомного ядра входят протоны и нейтроны (их общее название — нуклоны). Протон имеет положительный электрический заряд, равный по модулю заряду электрона, а нейтрон электрического заряда не имеет (он нейтрален). Массы протона и нейтрона почти одинаковы и примерно в 1836 раз больше массы электрона, поэтому почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Протоны в ядре отталкиваются, но удерживаются вместе ядерными силами притяжения, которые примерно в 100 раз больше электрических.

Атом водорода: в ядре один протон, вокруг ядра движется один электрон. Атом гелия: в ядре два протона и два нейтрона, вокруг ядра движутся два электрона. Атом лития: в ядре три протона и четыре нейтрона, вокруг ядра движутся три электрона (два ближе к ядру и один дальше от него). Во всех атомах число протонов равно числу электронов, поэтому атомы электрически нейтральны. Атомы разных элементов отличаются числом протонов и электронов.

Если от нейтрального атома отделить один или несколько электронов, то число протонов станет больше числа электронов, и образовавшаяся частица получит избыточный положительный заряд: это положительный ион. Если же атом присоединит один или несколько дополнительных электронов, то электронов окажется больше, чем протонов, частица станет заряженной отрицательно: это отрицательный ион. Число протонов в ядре при этом не меняется, то есть атом остаётся атомом того же химического элемента.

Главной характеристикой химического элемента является заряд ядра атома, то есть число протонов в ядре. Именно оно определяет порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева и число электронов в нейтральном атоме. Атомы разных элементов отличаются друг от друга числом протонов в ядре; число нейтронов или электронов (в ионе) при этом может меняться, но элемент остаётся тем же.

Электрон — это элементарная частица с наименьшим отрицательным зарядом, у неё нет ни ядра, ни внутренней структуры (в рамках школьной модели), а её масса очень мала, около 9,1·10⁻³¹ кг. Отрицательный ион — это атом (или молекула), присоединивший один или несколько лишних электронов. Он состоит из ядра, протонов, нейтронов и электронов, поэтому его масса во много тысяч раз больше массы электрона, а заряд, как правило, кратен заряду электрона (например, ион с одним лишним электроном имеет заряд −1,6·10⁻¹⁹ Кл). Таким образом, у них может совпадать заряд, но электрон — это частица, а ион — это заряженный атом, содержащий в своём составе и электроны, и ядро.

Да, можно. Порядковый номер химического элемента в таблице Менделеева равен числу протонов в ядре (заряду ядра), а в нейтральном атоме — и числу электронов. По рисунку 66: у водорода в ядре один протон (и один электрон), значит, порядковый номер 1; у гелия в ядре два протона (и два электрона), порядковый номер 2; у лития в ядре три протона (и три электрона), порядковый номер 3. Число нейтронов для определения номера значения не имеет.

Решение. Ядро атома бериллия содержит 4 протона и 5 нейтронов, поэтому заряд ядра равен +4e. Атом электрически нейтрален, значит, число электронов равно числу протонов: 4. Электроны располагаются по оболочкам: два на ближней к ядру орбите и два на более дальней. Рисуем в центре ядро из 4 протонов («+») и 5 нейтронов, а вокруг — две пунктирные окружности с электронами («−»): на первой два электрона, на второй — тоже два.
Ответ: модель — ядро (4 протона и 5 нейтронов) и 4 электрона на двух орбитах (2 + 2).

Дано: d атома = 10⁻¹⁰ м; d ядра = 10⁻¹⁵ м.
Найти: d атома / d ядра — ?
Решение: n = d атома / d ядра = 10⁻¹⁰ м / 10⁻¹⁵ м = 10⁵ = 100 000.
Ответ: атом водорода больше своего ядра в 100 000 раз (в 10⁵ раз).

Решение. Электроны имеют одинаковые по знаку (отрицательные) заряды. Одноимённо заряженные тела и частицы отталкиваются, поэтому два электрона отталкиваются друг от друга. (Сила тяготения между ними очень мала и в сравнении с электрической силой отталкивания ею можно пренебречь.)
Ответ: два электрона отталкиваются.

Решение. Заряд любой частицы или тела образуется только целым числом элементарных зарядов: q = ±N·e, где N — целое число, e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл (элементарный заряд неделим). Заряд, равный 2,5 e, потребовал бы 2,5 элементарных заряда, то есть нецелого числа, что невозможно: нельзя взять «половину» электрона. Ближайшие возможные значения: 2e и 3e.
Ответ: нет, не может, так как заряд кратен элементарному и должен быть целым числом элементарных зарядов.

Дано: число протонов Z = 8; заряд протона e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.
Найти: q ядра — ?; число электронов N — ?
Решение: заряд ядра равен суммарному заряду протонов: q = Z·e = 8·1,6·10⁻¹⁹ Кл = 1,28·10⁻¹⁸ Кл (то есть +8e). Атом в целом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: N = 8.
Ответ: заряд ядра +8e ≈ 1,28·10⁻¹⁸ Кл; в атоме кислорода 8 электронов.

Решение. Нейтральный атом углерода содержит 6 протонов в ядре и 6 электронов (в ядре обычно ещё 6 нейтронов). После отделения одного электрона число электронов стало 5, а число протонов осталось равным 6. Протонов больше на один, поэтому частица имеет избыточный положительный заряд, равный по модулю заряду электрона: q = +e = +1,6·10⁻¹⁹ Кл. Такая частица называется положительным ионом (однозарядным ионом углерода). Рисуем ядро из 6 протонов и 6 нейтронов и вокруг него 5 электронов: два на ближней орбите и три на дальней.
Ответ: положительный ион углерода; заряд +1,6·10⁻¹⁹ Кл (+e); модель показана на рисунке.