Больше электронов чем протонов
Строение атома
История открытия. Демокрит. Начала атомистики
Уже в древности философы задумывались, из чего же состоит природа вокруг них. Демокрит первым из античных ученых предположил, что все в мире состоит из крошечных неделимых частиц. Эту частицу он назвал атом, что в переводе с греческого означает «неделимый».
К сожалению, возможности ученых в те времена были весьма ограничены. Каких-либо приборов, позволяющих исследовать строение вещества, у них не было. Но значение Демокрита в зарождении атомистики невозможно сбросить со счетов истории.
Атомно-молекулярное учение. Строение атома
Практически до середины XVIII века, пока М.В. Ломоносов не принес в химию количественные эксперименты, учение об атомах оставалось лишь прерогативой философских размышлений. Михаил Васильевич считал, что лишь знание физических законов поможет правильно истолковать результаты химических опытов.
В своих исследованиях ученый выделил в веществе крупные частицы — «корпускулы», и мелкие — «элементы», или как мы называем их сейчас — атомы.
Ломоносов считал, что каждая молекула по своему составу идентична всему веществу, а также, что различные по химическому строению элементы имеют и разные по составу молекулы. Ученый предполагал, что вещества имеют особенности не только из-за отличий в составе молекул, но и благодаря различному расположению атомов в молекуле.
Следующий шаг в изучении атомов сделал английский естествоиспытатель Джон Дальтон. Проводя различные эксперименты с растворением газов в жидкостях, ученый открыл главное физическое качество атомов: эти мельчайшие частицы имеют вес. Но поскольку атом до сих пор никто не видел, Дальтон назвал вес частицы относительным. Он установил, что самым легким элементом является водород и предложил его вес принять за единицу.
Открытие Дальтона стало прорывом в химии. Ведь теперь к любому химическому соединению можно было подойти с измерительным прибором. Это исследование позволило приблизиться к современной записи химических формул и уравнений. И именно Дальтон придумал первые обозначения для известных химических элементов.
До конца XIX века, несмотря на все старания ученых, химическое строение атома по-прежнему оставалось лишь гипотезой.Ученым не хватало оборудования, чтобы постичь тайну мельчайшей частицы.
Открытие Дальтона дало толчок дальнейшим опытам, в ходе которых ученые вычислили относительную атомную массу разнообразных химических элементов, что позволило их классифицировать, а Д.И.Менделееву – сформулировать периодический закон и представить научному миру Периодическую систему химических элементов.
Протоны и нейтроны
Обнаружение катодных лучей немецким ученым-физиком Юлиусом Плюккером в 1859 году и создание прототипа электронной трубки Ульямом Круксом в 1879 году положили новый виток исследованиям в атомистике.
Однако потребовалось еще несколько десятков лет, чтобы строение атомов химических элементов приоткрыло свои тайны. на заре XX века в одном журнале появились две публикации, которые пытались объяснить структуру атома. Одна из публикаций принадлежала английскому ученому Д.Д. Томсону, автором другой был японский физик Хантаро Нагаока.
При создании своей атомной структуры Нагаока использовал разработанную Максвеллом в 1856 году теорию устойчивости колец Сатурна. Японский ученый был убежден, что опираясь на «сатурнианскую» модель ядра в будущих исследованиях, можно прояснить все основные свойства материи.
Исследователь ошибся, однако два постулата его теории впоследствии подтвердились:
Томсон выдвинул гипотезу о том, что атом напоминает шарообразную, электронейтральную сферу диаметром около 10 –10 м, где положительный заряд равномерно распределен по всей структуре атома, а электроны хаотично расположены в этом поле. Поэтому, можно сказать, что атом напоминает микроскопическую булочку с изюмом.
Опыты продолжались в разных странах. В лаборатории Резерфорда проходили испытания, которые смогли доказать, что в центре атома расположено крупное ядро с диаметром около —10 —15 м, в котором содержится более 99,95 % его массы, а заряд его положительный.
В 1932 году и Джеймс Чедвик обнаружил нейтрон — третий недостающий элемент атома.
Атомное взаимодействие обеспечивает тесную связь протонам и нейтронам в ядре атома. Протоны и нейтроны имеют общее название — нуклоны. Ученые считают, что их характеристики достаточно подобны, чтобы отнести эти частицы к одному семейству, как биологи относят в один вид собак и волков.
Казалось бы, вот оно – тайна ядра разгадана. Но нет, в современной физике считается, что нуклоны состоят из еще более мелких частиц, которые называют кварками, и кварковая модель является ведущей в современной науке.
Эксперименты по исследованию атома и его ядра не прекращаются, и в 2010 году международная группа физиков при исследовании протонов в мюонном водороде установила, что размер радиуса протона меньше на 4%, чем считалось до этого.
Так в фундаментальную физику ворвалась загадка протонного радиуса, почему измерение одной и той же величины в обычном и в мюонном водороде дает разные результаты — и, несмотря на усилия сотен специалистов, она до сих пор не решена.
Изотопы
Работая в лаборатории Резерфорда, Фредерик Содди экспериментально установил, что встречаются атомы одного химического элемента с различной атомной массой. А поскольку к этому времени уже было известно, что количество протонов для ядра постоянно, соответственно, отличались они количеством нейтронов.
Содди предложил термин изотоп (от греческих слов изос — «равный» и топос — «место») для обозначения веществ, идентичных по химическим свойствам, но отличающихся атомной массой и определенными физическими свойствами.
При графической записи изотоп выглядит как знак химического элемента, которому он соответствует. А что бы обозначить разницу, в массовом числе используют индекс слева вверху: ( 12 C, 222 Rn)
Протий, дейтерий, и тритий — исторические собственные названия изотопов водорода.
Электронное строение атома
Исследование таинственного микромира продолжается. Изучение движения электронов и внутриатомных взаимодействий выделилось в отдельную область физики — квантовую механику. Главный постулат квантовой механики — все волны обладают свойствами частиц, а микрочастицы имеют волновую природу.
В макромире физическое тело всегда находится в какой-то конкретной точке пространства. Даже если вы сфотографируете летящую муху и на фотографии она будет в виде черной полосы, вы все равно будете уверены, что в конкретный момент времени она была в определенном месте.
В мире атома все иначе. Легкий подвижный электрон находится одновременно во всех точках околоядерного пространства. Если провести аналогию с макромиром, больше всего это напомнит неплотный клубок мягкой пушистой шерсти.
И именно эта зона пространства, где существует вероятность встретить электрон, называется электронным облаком. Плотность электронного облака неравномерна.
В электронном облаке выделяют зону, где вероятность встречи с электроном более 90% — эта область обозначена как атомная или электронная орбиталь.
Все электроны в атоме обладают определенной энергией. Чтобы описать состояние электрона, ученые используют квантовые числа. Всего их четыре. Целое число n, которое определяет энергию электронов на конкретном энергетическом уровне, называют главным квантовым числом.
На одной электронной оболочке находятся атомные орбитали с единым значением главного квантового числа n.
У невозбужденного атома электроны расположены на орбиталях 4-х видов: s, p, d и f.
Но почему нельзя было обозначить буквами по алфавиту a, b, c? Все не так просто, для обозначения атомных орбиталей ученые решили использовать начальные буквы от прилагательных, описывающих спектральные линии в атомных спектрах:
Чтобы графически представить расположение электронов на уровнях и подуровнях атомной оболочки, ученые ввели электронные формулы. Это такие численно-буквенные комбинации, где подуровень обозначен строчной латинской литерой, а цифровой индекс вверху справа обозначает количество электронов на подуровне.
Несмотря на свои способности быть одновременно в любой точке пространства, электроны при заполнении орбиталей соблюдают определенный порядок:
У этого правила есть еще одно мнемоническое название — правило троллейбуса. Расположение электронов напоминает рассадку в общественном транспорте. Если есть свободные места и человек входит один, он сядет на свободное сиденье, и только если нет свободных сидений, подсядет к кому-то на свободное место.
Итак, подведем выводы, на которые ученым понадобилось более сотни лет опытов, исследований, научных дискуссий и даже трагедий.
Чтобы проверить насколько хорошо усвоен материал, предлагаем вашему вниманию тест на тему «Строение атома» для 8-11 классов:
В чем разница между электроном и протоном?
Электроны и протоны — два основных компонента атома из трех. Ключевое различие между электроном и протоном состоит в том, что электрон — это заряженная частица с отрицательной полярностью. Напротив, протон — это заряженная частица, имеющая положительный заряд. И электрон, и протон являются фундаментальными компонентами атомной структуры и имеют собственное значение.
Что такое атом?
Мы знаем, что атом считается самой маленькой частицей, поскольку это фундаментальная единица, из которой состоит материя. Сам этот атом имеет 3 основные субатомные частицы, которые известны как электрон, протон и нейтрон.
Несколько атомов образуют молекулу, а атомы внутри молекулы связаны химическими связями. Электрический заряд атома поддерживает связь между атомами в молекуле. Среди электрона, протона и нейтрона электроны и протоны заряжены отрицательно и положительно соответственно, а нейтроны — нейтрально заряженные частицы.
Электроны и протоны обладают разными свойствами и находятся в разных местах внутри атома. Следовательно, есть основные различия между электроном и протоном, которые мы и обсудим в этой статье.
Сравнительная таблица
Определение электрона
Электрон — субатомная частица атома, обладающая электрическим зарядом отрицательной полярности. В идеале внутри атома электроны находятся в сферических оболочках и движутся вокруг ядра по орбитальной траектории. А когда к электронам подводится внешняя энергия, они переходят от одного атома к другому.
По сути, энергия, передаваемая электронам, освобождает их от оболочек, таким образом, они становятся мобильными и прикрепляются к ближайшему к нему атому всякий раз, когда в этом конкретном атоме возникает недостаток электрона.
Определение протона
Протон — еще одна крупная частица атома с зарядом положительной полярности. Это важный компонент атома, который образует ядро атома с нейтроном. Поскольку ядро атома находится в центре, таким образом, протон, несущий положительный заряд, присутствует в центре атомной структуры.
Примечательно то, что количество протонов, присутствующих в атоме, обозначает его атомный номер. Протоны и нейтроны, содержащиеся в ядре атома вместе, называют нуклонами. Поскольку электроны и протоны имеют одинаковые по значению заряды, но противоположной полярности, то между ними, внутри атома, существует сила притяжения.
По этой причине электроны ограничены и движутся по орбитальному пути. У атома одинаковое количество электронов и протонов, поэтому положительный и отрицательный заряды аннулируются, что делает атом электрически нейтральным.
Ключевые различия между электроном и протоном
Вывод
Таким образом, можем сделать вывод, что электроны, протоны и нейтроны составляют атом. Сила притяжения между разнополярными зарядами, электронов и протонов, связывает субатомные частицы внутри самого атома, “без участия нейтрально заряженных нейтронов”.
Атом — его состав и структура
Атом — основная единица элементов. Состав атома и его строение определяет различные свойства элементов. Например, состав атома кристалла кремния будет отличаться от структуры, что представляет, например, вещество уран.
Слово «атом» происходит от греческих корней «а»(без) и «том» (вырезать) что означает «неделимый». Вплоть до 20-го века атомы считались минимально возможными частицами.
Структура атома
Ядро является центральным, очень плотным компонентом атома. Оно состоит из протонов и нейтронов (совместно называемых нуклонами) и отвечает за большую часть атомной массы. 
Протоны и нейтроны удерживаются вместе в ядре так называемым сильным ядерным взаимодействием (которое является самой сильной известной силой во Вселенной). Вокруг ядра находится облако гораздо меньших и более легких электронов, которые притягиваются к ядру электромагнитной силой от взаимодействия с протонами. Различные количества протонов, нейтронов и электронов приводят к тому, что атом обладает различными химическими свойствами, которые определяют, что это за элемент.
Атомы невообразимо малы, а их ядра в 1000 раз меньше. На самом деле один кубический сантиметр кремния, содержит приблизительно 5 х 10 22 атома (это 5 с 22 нулями после него!). Это масштабы Вселенной, чтобы увидеть визуальное представление о том, насколько они малы.
Протоны
Протоны — это положительно заряженные частицы, которые находятся внутри ядра атома.
Элемент можно распознать по числу протонов в ядре одного из своих атомов. Кроме того, число протонов определяет место элемента в периодической таблице элементов. Например, состав атома углерода имеет ровно 6 протонов в своем ядре и, таким образом, номер 6 в периодической таблице элементов, торий имеет ровно 90 протонов и, таким образом, номер 90 в периодической таблице элементов.
Протоны отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, но стягиваются вместе сильной силой, которая сильнее на коротких расстояниях (эти расстояния составляют около ферми или 10-15 м). Протоны очень маленькие, около 10-15 м в 10 000 раз меньше атома! Несмотря на свои невероятно малые размеры, протоны толкают друг друга с огромной силой, около 100 Н, сравнимой с весом маленькой собаки!
Заряд протона в точности равен и противоположен заряду электрона. Поэтому число электронов в нейтральном атоме всегда равно числу протонов. Протоны состоят из более мелких частиц, называемых кварками, которые также составляют нейтроны.
Число протонов в ядре называется атомным номером, и это число определяет, каким элементом является вещество. Другими словами, изменение числа протонов, изменяет элемент. Это число протонов (атомный номер) изменяется, когда ядро подвергается бета-распаду или альфа-распаду в любой из его различных форм.
Сложность намеренного изменения количества протонов в ядре велика. Вот почему алхимия (средневековая практика превращения свинца в золото) так долго терпит неудачу!
Нейтроны
Нейтроны имеют ту же массу, что и протоны, что делает их легко определяемыми, сколько находятся в составе ядра атома.
Простое вычитание числа протонов из атомной массы атома даст число нейтронов. Например, цезий является номером 55 в периодической таблице элементов и, следовательно, имеет 55 протонов; кроме того, его атомная масса (обычно также найденная в периодической таблице), как известно, составляет 133 (единицы атомной массы). Вычитание 55 из 133 дает 78, то есть число нейтронов в атоме. Один и тот же тип атома (определяемый количеством протонов) может иметь разное количество нейтронов. Они называются различными изотопами атома. Например, углерод-12 является одним изотопом углерода, а углерод-14 — другим изотопом углерода.
Имеется общее название составляющих атомного ядра. Нуклон — частица из протона и нейтрона, которые образуют ядро. Нуклиды — совокупность атомов с определенным значением нейтронов и протонов: одинаковое число протонов, но разным числом нейтронов. Нуклоны и нуклиды разные понятия.
Электроны
Электроны — это отрицательно заряженные частицы, которые существуют в облаке вокруг ядра атома. Они невообразимо малы, настолько малы, что квантовая механика необходима для объяснения их специфического поведения, и насколько физика смогла определить, они являются фундаментальной частицей. Лучше всего представить электроны как крошечные частицы, которые» вращаются » вокруг ядра. Их радиус настолько мал, что никто не смог его обнаружить, но он невероятно круглый. Если бы электрон был увеличен до размера Солнечной системы, он все равно выглядел бы сферическим в пределах толщины человеческого волоса.
Состав атома определяет одинаковое количество протонов и электронов, однако он может потерять или приобрести электрон(ы) становится «несбалансированным». Неуравновешенный атом называется ионом; если он получает электрон (таким образом, имея их больше, чем протонов), он становится отрицательно заряженным ионом или анионом. Если происходит обратное, и атом теряет электрон, он становится положительно заряженный ион или катион. Ионы могут соединяться с другими ионами, создавая большое разнообразие различных смесей.
Один из способов, при котором состав атомов получает или теряет электроны, — это излучение высокой энергии. Это излучение вызывает образование ионов и в результате называется ионизирующим излучением.
Электроны и электричество
Электричество — это поток электронов через проводник, обычно в виде проволоки, этот поток называется электрическим током.
Чтобы этот поток произошел, электроны должны разорвать свою атомную связь (электричество — это поток электронов, а не их поток с ядрами, с которыми они связаны). Разрыв атомной связи между электроном и его ядром требует ввода энергии, которая заставляет электрон преодолевать электромагнитную силу, сдерживающую его, и таким образом свободно течь.
Проводящий материал
Все формы материи содержат электроны, однако в некоторых материалах они более свободно связаны с их ядрами. Эти материалы (известные как проводники или металлы) требуют очень мало энергии для создания электрического тока, потому что слабо связанные электроны требуют гораздо меньше энергии для преодоления электромагнитной силы, удерживающей их на месте.
Что генерирует поток электронов?
Поток электронов можно генерировать различными способами, но основные из них следующие:
Таким образом, структура или состав атома определяет принадлежность к тому или иному химическому элементу.
15 самых интригующих фактов об атомах
Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.
К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).
Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).
Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.
1. Состав атомов
Каждый атом содержит одно ядро [в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.
2. Ядро содержит почти всю массу
Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.
3. Электроны чрезвычайно малы
Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.
4. Атом может иметь электрический заряд
Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.
Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).
5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?
Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.
6. 94 Атома естественного происхождения на Земле
Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.
7. Каждый атом уникален
Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.
Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.
8. Самый большой и самый маленький атом
Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.
Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.
9. Самый тяжелый и легкий атом
Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.
Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.
10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?
В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.
Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.
11. Атомы в человеческом теле
Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.
12. Сколько атомов существует во Вселенной?
Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10 78 до 10 82 атомов.
Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.
13. Радиоактивные атомы
В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.
Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.
14. Видя атомы
Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.
Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния
Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.
15. Квантовая природа атомных свойств
Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.
Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.
Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.