Атом состоит из очень маленького плотного ядра и окружающего его электронного облака. В ядре находятся положительно заряженные протоны и электрически нейтральные нейтроны, а электронное облако образуют отрицательно заряженные электроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, но почти весь его объём относится к области, где могут находиться электроны.
Что называют атомом
Атом – наименьшая электрически нейтральная частица химического элемента, сохраняющая его химическую индивидуальность. Число протонов определяет, какой это элемент. У водорода один протон, у углерода шесть, у кислорода восемь. Если изменить число протонов, получится уже другой элемент.
В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому положительный и отрицательный заряды компенсируются. Если атом теряет или получает электроны, он превращается в заряженный ион. Ядро при обычной химической реакции при этом не меняется.
Атом нельзя представлять просто как мельчайший твёрдый шарик. Это квантовая система, поведение которой не совпадает с привычным движением видимых предметов. Именно поэтому обычные наглядные модели полезны лишь в определённых пределах.
Как устроено ядро
Протон несёт один положительный элементарный заряд. Нейтрон не имеет суммарного электрического заряда. Обе частицы имеют близкую массу и примерно в две тысячи раз тяжелее электрона. Протоны и нейтроны вместе называют нуклонами.
Положительно заряженные протоны электрически отталкиваются друг от друга. Ядро не распадается сразу, потому что на очень малых расстояниях нуклоны связывает сильное ядерное взаимодействие. Для некоторых сочетаний протонов и нейтронов ядро устойчиво, другие сочетания радиоактивны и со временем превращаются.
Протон и нейтрон тоже не являются окончательно неделимыми. Они состоят из кварков, связанных глюонным полем. Однако при объяснении химических свойств уровень протонов, нейтронов и электронов обычно достаточен. Кварки важны для физики элементарных частиц, а не для выбора обычной химической связи.
Что такое электронное облако
В старых учебных рисунках электроны изображают маленькими шариками на круговых орбитах, будто планеты вокруг Солнца. Такая схема помогает показать ядро и разные энергетические уровни, но буквально она неверна. В квантовой механике электрон описывают состоянием и вероятностью обнаружения в определённой области пространства.
Электронное облако – наглядное название распределения этой вероятности. Области с характерной энергией и формой называют атомными орбиталями. Они бывают не только сферическими. Заполнение орбиталей подчиняется правилам, а внешние электроны особенно сильно влияют на химическое поведение атома.
Размер ядра намного меньше размера всего атома. Если мысленно увеличить атом до большого здания, ядро заняло бы лишь крошечную центральную область. При этом говорить, что остальное пространство заполнено обычной пустотой с летающими шариками, тоже упрощение: там существует квантовое электронное состояние и электромагнитное поле.
Почему атом не удаётся рассмотреть в школьный оптический прибор, подробно объясняется в статье о пределах микроскопа. Длина волны видимого света слишком велика для получения привычного изображения отдельных атомов.
Откуда берётся химический элемент
Порядковый номер в периодической таблице равен числу протонов. Все атомы с шестью протонами являются углеродом, независимо от числа нейтронов или электронов. Изменение числа электронов создаёт ион углерода, а изменение числа нейтронов – другой изотоп углерода.
Изотопы одного элемента имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Поэтому их химические свойства во многом похожи, а массы и устойчивость ядер различаются. Например, некоторые изотопы стабильны, другие радиоактивны.
Число протонов и нейтронов вместе называют массовым числом конкретного нуклида. Оно не равно точной атомной массе из таблицы: табличное значение часто учитывает распространённость нескольких природных изотопов и особенности измерения массы.
Почему атомы соединяются
Химические связи возникают из-за взаимодействия электронов и ядер. Система атомов может перейти в состояние с меньшей энергией, чем разделённые частицы. Тогда образуется устойчивая связь. Простая школьная формула об «октете» помогает во многих случаях, но не является универсальной причиной для всех элементов и соединений.
Основные типы и энергетический смысл процесса раскрыты в статье «Почему атомы объединяются в молекулы?». Отдельно можно посмотреть, как соединяются одинаковые атомы: одинаковый элемент способен образовать простое вещество, молекулу или протяжённую структуру.
Когда атомы связаны в электрически нейтральную отдельную частицу, часто говорят о молекуле. Но не всякое вещество состоит из отдельных молекул. В кристалле поваренной соли существует решётка ионов, в металле электроны принадлежат всей структуре, а в алмазе атомы углерода соединены в протяжённую сеть. Отличия подробнее разобраны в материале «Из чего состоит молекула?».
Из чего состоит большая часть массы
Масса электрона очень мала по сравнению с массой протона или нейтрона. Поэтому массу обычного атома приблизительно задаёт ядро. Но даже массу протона нельзя получить простым сложением масс составляющих кварков. Значительная её часть связана с энергией сильного взаимодействия. По соотношению массы и энергии эта энергия вносит вклад в измеряемую массу.
При образовании ядра часть массы системы соответствует энергии связи. Поэтому точная масса связанного ядра немного отличается от суммы масс свободных нуклонов. Этот дефект массы связан с энергией, которую нужно затратить, чтобы полностью разделить ядро.
В химических реакциях меняется электронная структура и энергия связей, но ядра элементов обычно сохраняются. В ядерных реакциях изменяются сами ядра, поэтому масштаб энергии существенно больше.
Можно ли разделить атом
Атом можно ионизировать, удалив электрон, или присоединить к нему дополнительный электрон. Это не разрушение ядра. Ядро некоторых тяжёлых элементов можно разделить в процессе ядерного деления, а лёгкие ядра – объединить в реакции синтеза. Для таких изменений нужны условия, совершенно отличные от обычной кухни или химического опыта.
История открытия электрона, ядра, протона и нейтрона показывает, как научная модель уточняется по мере появления новых экспериментов. Связанные открытия и технические применения удобно изучать через маршруты знаний, переходя от базовых понятий к более сложным.
Краткий вывод
Атом состоит из ядра с протонами и нейтронами и электронного облака. Число протонов задаёт химический элемент, число нейтронов определяет изотоп, а число электронов влияет на заряд и химические связи. Ядро содержит почти всю массу, электроны определяют большую часть размера и химического поведения. Протоны и нейтроны, в свою очередь, имеют внутреннее кварковое строение.
