§ 7. Строение атома

Одно из наиболее ранних утверждений об атомах как неделимых частицах вещества содержится в трудах древнегреческого учёного Демокрита (V–IV вв. до н. э.). Лишь в конце XIX века благодаря ряду научных открытий в области физики стало понятно, что атом имеет сложное строение.

В 1911 году Э. Резерфорд на основании экспериментальных данных предложил ядерную (планетарную) модель строения атома. В этой модели атом рассматривался как своеобразная «солнечная система», в центре которой находится положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по своим орбитам движутся электроны.

Дальнейшие исследования физиков показали, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов. Нейтрон не имеет заряда, а протон несёт положительный заряд, равный величине заряда электрона. Число протонов в ядре определяет его заряд по абсолютной величине и порядковый номер элемента (рис. 11).

Если заряд электрона, равный 1,6 ∙ 10^–19 Кл, принять за 1, то заряд ядра любого атома будет численно равен порядковому номеру Z соответствующего химического элемента или числу протонов в ядре. В таком случае заряд ядра выражен в единицах элементарного заряда. Это безразмерная величина, как и относительная атомная масса. Например, уран — химический элемент с порядковым номером 92. Заряд его ядра в относительных единицах равен 92.

Суммарное число протонов (Z) и нейтронов (N) в ядре называется массовым числом (А):

A = Z + N.

Массовое число А имеет только целочисленные значения.

Атом в свободном состоянии является электронейтральной частицей. Следовательно, число протонов в ядре атома равно числу электронов. Важнейшие характеристики протонов, нейтронов и электронов приведены в таблице 4.

Таблица 4. Важнейшие характеристики протонов, нейтронов, электронов

Характеристики	Ядро		Оболочка
	Протон	Нейтрон	Электрон
Символ	p	n	e–
Масса, кг	≈ 1,673 ∙ 10–27	≈ 1,675 ∙ 10–27	≈ 9,109 ∙ 10–31
Масса, а. е. м.	1,0073 ≈ 1	1,0087 ≈ 1	0,0005 ≈ 0
Электрический заряд, Кл	≈ 1,602 ∙ 10–19	0	≈ –1,602 ∙ 10–19
Электрический заряд в единицах элементарного заряда	+1	0	–1
Обозначение в уравнениях ядерных реакций

Массу ядра (m_z) можно приблизительно определить, суммировав массы всех протонов (Zm_p) и нейтронов (Nm_n), из которых оно состоит.

Точное значение массы ядра немного меньше этой суммы:

m_z < Zm_p + Nm_n.

Например, масса ядра нуклида кислород-16 равна 15,995. Разница объясняется выделением колоссальной энергии при образовании ядра из протонов и нейтронов. Именно из-за выделения этой энергии, называемой энергией связи (∆E), происходит потеря общей массы. Энергия связи в ядре в миллионы раз превышает прочность химической связи, поэтому ядра атомов в химических реакциях не разрушаются.

Число нейтронов в ядрах атомов одного и того же химического элемента может варьироваться в небольших пределах.

Длительное время считали, что химический элемент — это вид атомов с определённой массой. Однако в 1913 году было установлено, что у одного и того же химического элемента могут быть атомы, различающиеся по массе. Такие разновидности атомов назвали изотопами.

Изотопы — это атомы, относящиеся к одному химическому элементу, но отличающиеся по массе. Их ядра состоят из одинакового числа протонов, но разного числа нейтронов.

Кроме понятия изотопа существует понятие нуклид.

Вид атомов с определённым количеством протонов и нейтронов в ядре называют нуклидом (от лат. nucleus — ядро). Совокупность атомов, в ядрах которых содержится одинаковое число протонов, относят к одному химическому элементу, то есть все атомы одного химического элемента имеют одинаковый заряд ядра.

Нуклиды принято обозначать , где Э — символ химического элемента, Z — число протонов в ядре (атомный номер элемента), A — массовое число, равное суммарному числу протонов и нейтронов в ядре. Например, , , .

Большинство химических элементов в природе существует в виде нескольких нуклидов. Так, у кремния три стабильных нуклида, а у олова их десять.

Например, существующие в природе нуклиды , и  — изотопы водорода, так как принадлежат одному и тому же химическому элементу, но различаются числом нейтронов в ядре атома (рис. 12). Их называют водород-1, или протий (H), водород-2, или дейтерий (D), водород-3, или тритий (T). Массы атомов водорода-1, водорода-2 и водорода-3 равны 1,008, 2,014 и 3,016 а. е. м., или приблизительно 1, 2 и 3 а. е. м.

Вещества, содержащие различные изотопы, практически не отличаются химическими свойствами, но имеют различия в некоторых физических свойствах. Например, вода H₂O, в состав молекул которой входит протий, замерзает при 0 °С. В то же время вода, состоящая из молекул D₂O, замерзает при 3,81 °С, а из молекул T₂O — при 4,48 °С.

Значение атомных масс изотопов и их относительное содержание определяют методом масс-спектроскопии. Именно с учётом значений атомных масс изотопов и их доли в природе вычисляют относительную атомную массу химических элементов.

Уточним определение, приведённое ранее на с. 7. Относительная атомная масса химического элемента — физическая величина, равная отношению усреднённой массы атомов элемента к части массы атома углерода-12 (¹²С). Теперь становится понятным, что подразумевается под термином «усреднённая масса» атомов элемента. Её можно рассчитать, имея сведения о точном значении массы и распространённости изотопов элемента. Покажем этот расчёт на следующем примере.

Относительная атомная масса химического элемента — это усреднённое значение относительных атомных масс его изотопов с учётом их распространённости.

Следует помнить, что каждому нуклиду присуще определённое массовое число. Нельзя говорить о массовом числе химического элемента, так как в природе у одного и того же химического элемента может быть несколько изотопов.

Небольшие различия физических свойств веществ, включающих разные изотопы одного и того же элемента, приводят к тому, что изотопный состав вещества зависит от способа его получения и существования. Например, сахароза свекловичного сахара содержит меньше нуклида ¹³C, чем сахароза, выделенная из сахарного тростника. Такие различия нередко позволяют определить происхождение вещества. Сведения об изотопном составе веществ используются в геологии, медицинской диагностике, криминалистике, для контроля состояния окружающей среды.

Вопросы, задания, задачи

1. Назовите:

• а) частицы, входящие в состав атома;
• б) нуклид, который не содержит нейтронов.

2. Приведите обозначения нуклидов хлор-35 и хлор-37, йод-127 и йод-131 в виде .

3. Используя данные таблицы 4, сравните характеристики:

• а) протона и нейтрона;
• б) протона и электрона.

4. Ответьте на вопросы:

• а) почему в результате химических реакций не происходит превращения одних элементов в другие;
• б) какая атомная масса химических элементов указана в периодической системе — относительная или абсолютная;
• в) почему масса ядра меньше суммарной массы протонов и нейтронов, составляющих ядро?

5. Определите число протонов и нейтронов в ядрах изотопов углерода с массовыми числами 12, 13 и 14.

6. Укажите число электронов в следующих атомах и ионах: H^–, H⁺, He, Au, Cа²⁺.

7. Определите, сколько разновидностей молекул воды может образоваться из кислорода и водорода, если имеется смесь атомов водорода и кислорода, включающая нуклиды: , , , , .

8. Сопоставьте состав нуклидов ⁴⁰Ar, ⁴⁰K, ⁴⁰Ca, а также ³H, ³He и ¹⁴С, ¹⁴N. Можно ли однозначно установить принадлежность атома к определённому элементу только на основании величины его массового числа?

9. Рассчитайте относительную атомную массу природной меди, если известно, что она состоит из двух изотопов ⁶³Cu (69 %) и ⁶⁵Cu (31 %), причём А_r(⁶³Cu) = 62,93, А_r(⁶⁵Cu) = 64,93. Ответ проверьте по периодической системе Менделеева.

10. Известно, что химический элемент углерод в природе представлен двумя стабильными изотопами углерод-12 и углерод-13, относительные атомные массы которых соответственно равны 12,000000 и 13,003355. На долю атомов углерода-12 приходится 98,90 %, а на долю атомов углерода-13 — 1,10 %. Рассчитайте относительную атомную массу углерода и сопоставьте полученное значение с тем, что приведено в периодической системе.

*Самоконтроль

1. Число протонов в ядре атома равно:

• а) числу нейтронов в ядре;
• б) числу электронов, принадлежащих данному атому;
• в) порядковому номеру химического элемента;
• г) относительному заряду ядра атома.

2. Изотопам углерода соответствуют записи:

• а) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

3. В записи число 27 является:

• а) числом протонов;
• б) массовым числом;
• в) суммой числа протонов и числа нейтронов;
• г) числом электронов.

4. Одинаковое число нуклонов (нуклоны — протоны и нейтроны) содержат нуклиды:

• а) ;
• б) ;
• в) ;
• г) .

5. Ядро нуклида содержит:

• а) 26 электронов и 26 протонов;
• б) 56 нейтронов и 26 протонов;
• в) 30 нейтронов и 26 протонов;
• г) 30 нейтронов и 26.