Что такое атом? Из каких частей он состоит и в чем измеряется его масса.
Что такое атом? Из каких частей он состоит и в чем измеряется его масса?
Современный человек постоянно слышит словосочетания, которые содержат производные от слова «атом». Это энергия, электростанция, бомба. Кто-то принимает это как должное, а некоторые задаются вопросом: «Что такое атом?».
Что означает это слово?
Оно имеет древнегреческие корни. Происходит от «атомос», которое в дословном переводе значит «неразрезаемый».
Кто-то, уже немного знакомый с физикой атома, возмутится: “Как “неразрезаемый”? Он же состоит из каких-то частиц!” Все дело в том, что название появилось, когда ученые еще не знали, что атомы – не мельчайшие частицы.
После опытного доказательства этого факта было решено не менять привычного названия. И в 1860 году “атомом” стали называть мельчайшую частицу, которая имеет все свойства химического элемента, к которому относится.
Что больше атома и меньше его?
Молекула всегда больше. Она образована из нескольких атомов и является самой маленькой частицой вещества.
А вот меньше — элементарные частицы. Например, электроны и протоны, нейтроны и кварки. Их очень много.
Уже много чего про него сказано. Но до сих пор еще не очень понятно, что такое атом.
Что он из себя представляет?
Вопрос о том, как представить модель атома, уже давно занимает ученых. Сегодня принята та из них, которую предложил Э. Резерфорд и доработал Н. Бор. По ней атом разделяется на две части: ядро и электронное облако.
Большая часть массы атома сосредоточена в его центре. Ядро состоит из нейтронов и протонов. А электроны в атоме расположены на достаточно большом удалении от центра. Получается нечто похожее на Солнечную систему. В центре, как Солнце, ядро, и вокруг него вращаются электроны по своим орбиталям, как планеты. Именно поэтому модель часто называют планетарной.
Интересно, что ядро и электроны занимают очень малое пространство по сравнению с общими размерами атома. Получается, что в центре маленькое ядро. Потом пустота. Очень большая пустота. И потом узкая полоска маленьких электронов.
К такой модели атомов ученые пришли не сразу. До этого было выдвинуто множество предположений, которые были опровергнуты опытами.
Одной из таких идей было представление атома в виде сплошного тела, которое имеет положительный заряд. А электроны в атоме предлагалось разместить по всему этому телу. Такую идею выдвигал Дж. Томсон. Его модель атома еще называлась «Пудинг с изюмом». Уж очень модель напоминала это блюдо.
Но она была несостоятельна, потому что не могла объяснить некоторых свойств атома. Поэтому ее отвергли.
Японский ученый Х. Нагаока на вопрос, что такое атом, предлагал такую модель. По его мнению, эта частица имеет отдаленное сходство с планетой Сатурн. В центре ядро, а электроны вращаются вокруг него по орбитам, связанным в кольцо. Несмотря на то, что модель не была принята, некоторые ее положения были использованы в планетарной схеме.
О числах, связанных с атомом
Сначала о физических величинах. Общий заряд атома всегда равен нулю. Это связано с тем, что число электронов и протонов в нем одинаково. А их заряд одинаков по величине и имеет противоположные знаки.
Часто возникают ситуации, когда атом теряет электроны или, наоборот, притягивает к себе лишние. В таких ситуациях говорят о том, что он стал ионом. И его заряд зависит от того, что случилось с электронами. Если их количество стало меньше, заряд иона положительный. Когда электронов больше положенного, ион становится отрицательным.
Теперь о химии. Эта наука, как никакая другая, больше всего дает понимание, что такое атом. Ведь даже основная таблица, которая в ней изучается, основана на том, что атомы расположены в ней в определенном порядке. Речь идет о таблице Менделеева.
В ней каждому элементу приписывается определенный номер, который связан с числом протонов в ядре. Обычно он обозначается буквой z.
Следующее значение — это массовое число. Оно равно сумме протонов и нейтронов, находящихся в ядре атома. Принято его обозначение буквой A.
Два указанных числа связаны друг с другом таким равенством:
A = z + N.
Здесь N — это количество нейтронов в атомном ядре.
Еще одной важной величиной является масса атома. Для ее измерения введена особая величина. Она сокращается: а.е.м. И читается как атомная единица массы. Исходя их этой единицы, три частицы, из которых состоят все атомы Вселенной, имеют массы:
Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?
Горы, звезды, люди — все, что мы видим вокруг, состоит из крошечных атомов. Атомы маленькие. Очень и очень. С детства мы знаем, что все вещество состоит из скоплений этих крошечных штучек. Также мы знаем, что их нельзя увидеть невооруженным глазом. Мы вынуждены слепо верить этим заявлениям, не имея возможности проверить. Атомы взаимодействуют друг с другом и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это знаем? Многие не любят принимать утверждения ученых за чистую монету. Давайте вместе с наукой пройдем путь от осознания атомов до непосредственного доказательства их существования.
Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: засунуть их под микроскоп. Но этот подход не сработает. Даже самые мощные микроскопы, фокусирующие свет, не могут визуализировать один атом. Объект становится видимым, поскольку отражает световые волны. Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что они вовсе не взаимодействуют. Иными словами, атомы невидимы даже для света. Однако атомы все же оказывают наблюдаемые эффекты на некоторые вещи, которые мы можем увидеть.
50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун описал нечто удивительно похожее. Изучая пыльцевые гранулы под микроскопом, Броун обнаружил, что некоторые гранулы испускают крошечные частицы — которые затем удалялись от пыльцы в случайном нервном танце.
Сначала Броун подумал, что частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими субстанциями, вроде каменной пыли, которая явно была неживой, и снова увидел странное движение.
Потребовалось почти сто лет, чтобы наука нашла объяснение. Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предсказывала тот самый особенный тип движения — тогда названный броуновским движением, в честь Роберта Броуна. Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых гранул постоянно перемещались, поскольку в них врезались миллионы крошечных молекул воды — молекул, состоящих из атомов.
«Он объяснил, что это нервное движение, которое вы наблюдаете, на самом деле вызывалось воздействием отдельных молекул воды на частички пыли или что там у вас есть», — объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, также куратор Музея науки в Лондоне.
К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, показали, что атомы реальны. За десять лет физики существенно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.
Сюрпризом стало то, что атомы можно разделить — особенно в свете того, что само название «атом» вышло из греческого «атомос», означающего «неделимый». Но физики теперь знают, что атомы далеко не базовые кирпичи. Они состоят из трех основных частей: протонов, нейтронов и электронов. Представьте, что протоны и нейтроны вместе образуют «солнце», или ядро, в центре системы. Электроны находятся на орбите этого ядра, подобно планетам.
Но как мы узнали, что эти частицы там? Ответ в том, что они хоть и маленькие, но имеют большое влияние. Британский физик Томсон, открывший электроны, использовал прекрасный метод, чтобы доказать их существование в 1897 году.
У него была трубка Крукса — кусок стекла смешной формы, из которого машиной был высосан почти весь воздух. К одному концу трубки подводили отрицательный электрический заряд. Этого заряда было достаточно, чтобы выбить у молекул оставшегося в трубке газа часть электронов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому летели к другому концу трубки. Благодаря частичному вакууму, электроны пролетали через трубку, не встречая на своем пути крупные атомы.
Электрический заряд приводил к тому, что электроны двигались очень быстро — порядка 59 500 километров в секунду — пока не врезались в стекло на дальнем конце, выбивая еще больше электронов, которые прятались в его атомах. Удивительно, но столкновение между этими умопомрачительно крошечными частицами производило столько энергии, что порождало фантастическое зелено-желтое свечение.
«Это был в некотором смысле один из первых ускорителей частиц, — говорит Клифф. — Он ускоряет электроны на одном конце трубки к другому, и они врезаются в экран на другом конце, производя фосфоресцирующее свечение».
Поскольку Томсон обнаружил, что может управлять пучками электронов с помощью магнитов и электрических полей, он знал, что это были не просто странные лучи света, — это были заряженные частицы.
И если вам интересно, как эти электроны могут летать независимо от своих атомов, то это благодаря процессу ионизации, в котором — в данном случае — электрический заряд меняет структуру атома, выбивая электроны в пространство поблизости.
В частности, благодаря тому что электронами так просто манипулировать и двигать, стали возможны электрические схемы. Электроны в медном проводе движутся подобно поезду от одного атома меди к другому — потому-то провод передается по проводу. Атомы, как мы уже сказали, это не цельные кусочки вещества, а системы, которые можно модифицировать или разобрать на структурные элементы.
Эксперименты начала 20 века выявили эти положительно заряженные частицы и в то же время раскрыли внутреннюю структуру атома — похожую на солнечную систему.
Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли очень тонкую металлическую фольгу и поставили ее под луч положительно заряженного излучения — поток крошечных частиц. Большая часть мощного излучения прошла насквозь, как и полагал Резерфорд, учитывая толщину фольги. Но, к удивлению ученых, часть его отскочила.
Резерфорд предположил, что атомы в металлической фольге должны содержать небольшие плотные области с положительным зарядом — ничто иное не обладало бы достаточным потенциалом, чтобы отразить такое мощное излучение. Он обнаружил положительные заряды в атоме — и одновременное доказал, что все они связаны в плотной массе, в отличие от электронов. Другими словами, он продемонстрировал существование плотного ядра в атоме.
Оставалась проблема. К тому моменту уже могли рассчитать массу атома. Но учитывая данные о том, какими тяжелыми должны были быть частицы ядра, идея того, что все они положительно заряжены, не имела смысла.
«Углерод имеет шесть электронов и шесть протонов в ядре — шесть положительных зарядов и шесть отрицательных зарядов, — объясняет Клифф. — Но ядро углерода не весит шесть протонов, оно весит эквиваленту 12 протонов».
Сначала предположили, что в ядре есть шесть других ядерных частиц с массой протона, но заряженных отрицательно: нейтроны. Но никто не смог это доказать. На самом деле, нейтроны не могли найти до 1930-х годов.
За несколько лет до этого другие физики экспериментировали с радиацией. Они запускали положительно заряженное излучение — того типа, который использовал Резерфорд в поисках ядра — в атомы бериллия. Бериллий испускал собственную радиацию: излучение, которое не было заряжено положительно или отрицательно и могло проникать глубоко в материал.
К этому времени другие выяснили, что гамма-излучение было нейтральным и проникало глубоко, поэтому физики считали, что именно его испускают атомы бериллия. Но Чедвик так не считал.
Он самостоятельно произвел новое излучения и направил его на вещество, которое, как он знал, было богатым на протоны. Неожиданно оказалось, что протоны были выбиты из материала словно бы частицами с идентичной массой — будто шарики для бильярда другими шариками.
Гамма-излучение не может отражать протоны таким образом, поэтому Чедвик решил, что искомые частицы должны иметь массу протона, но другой электрический заряд: и это нейтроны.
Все основные частицы атома были найдены, но на этом история не заканчивается.
Хотя мы узнали об атомах много больше, чем знали раньше, их было трудно визуализировать. В 1930-х годах никто не располагал их снимками — и многие люди хотели их увидеть, чтобы принять их существование.
Важно отметить, впрочем, что методы, используемые учеными вроде Томсона, Резерфорда и Чедвика, проложили путь к новому оборудованию, которое в конце концов помогло нам произвести эти снимки. Пучки электронов, которые Томсон генерировал в своем эксперименте с трубкой Крукса, оказались особенно полезными.
Сегодня подобные пучки генерируются электронными микроскопами, и самый мощный из таких микроскопов может на самом деле делать снимки отдельных атомов. Это потому, что электронный пучок обладает длиной волны в тысячи раз короче пучка света — настолько короткой, по сути, что волны электронов могут отражаться от крошечных атомов и выдавать картинку, чего не могут световые пучки.
Нил Скиппер из Университетского колледжа в Лондоне говорит, что такие изображения полезны для людей, которые хотят изучать атомную структуру специальных веществ — вроде тех, что используются в производстве батарей для электромобилей, к примеру. Чем больше мы знаем об их атомной структуре, тем лучше нам удается проектировать батареи, делать их эффективными и надежными.
Можно также понять, как выглядят атомы, просто тыкнув в них. Так, по сути, работает атомно-силовая микроскопия.
Недавно ученые опубликовали прекрасные снимки молекулы до и после химической реакции с помощью этого метода.
Скиппер добавляет, что многие атомные ученые исследуют, как структура вещей меняется при воздействии высокого давления или температуры. Большинство людей знает, что когда вещество нагревается, оно часто расширяется. Теперь можно обнаружить атомные изменения, которые происходят при этом, что зачастую оказывается полезным.
«При нагревании жидкости можно заметить, как ее атомы принимают неупорядоченную конфигурацию, — говорит Скиппер. — Вы можете увидеть это непосредственно из структурной карты».
Скиппер и другие физики также могут работать с атомами, используя нейтронные пучки, впервые обнаруженые Чедвиком в 1930-х.
«Мы запускаем много пучков нейтронов в образцы материалов, и из возникающего паттерна рассеяния можно понять, что вы рассеиваете нейтроны в ядрах, — говорит он. — Можно грубо прикинуть массу и размер объекта, который просвечивался».
Но атомы не всегда просто находятся там, в стабильном состоянии, ожидая, пока их изучат. Иногда они распадаются — то есть являются радиоактивными.
Существует множество естественных радиоактивных элементов. Этот процесс генерирует энергию, которая легла в основу ядерной энергетики — и ядерных бомб. Физики-ядерщики, как правило, пытаются лучше понять реакции, при которых ядро проходит через фундаментальные изменения вроде этих.
«Типы детекторов, которые вы должны использовать, представлены детекторами, которые позволят вам измерять одновременно присутствие излучения и энергии радиации, которая была отложена, — говорит она. — Все потому, что у всех ядер есть особый отпечаток».
Поскольку в области, где была обнаружена радиация, могут присутствовать все типы атомов, особенно после крупной ядерной реакции, важно точно знать, какие радиоактивные изотопы присутствуют. Такое обнаружение обычно проводится на ядерных станциях или в зонах, где произошла ядерная катастрофа.
Харкнесс-Бреннан и ее коллеги сейчас работают над системами обнаружения, которые можно разместить в таких местах, чтобы показать в трех измерениях, где может присутствовать радиация в конкретном помещении. «Вам нужны техники и инструменты, которые позволят составить трехмерную карту пространства и подскажут, где в этой комнате, в этой трубе радиация», — говорит она.
Также можно визуализировать излучение в «камере Вильсона». В рамках этого специального эксперимента охлажденный до -40 градусов по Цельсию спиртовый пар распыляется облаком над радиоактивным источником. Заряженные частицы радиации, летящие от источника излучения, выбивают электроны из молекул спирта. Спирт конденсируется в жидкость рядом с дорожкой излучаемых частиц. Результаты такого типа обнаружения впечатляют.
Мы мало работали непосредственно с атомами — разве что поняли, что это прекрасные сложные структуры, которые могут претерпевать удивительные изменения, многие из которых происходят в природе. Изучая атомы таким образом, мы улучшаем собственные технологии, извлекаем энергию из ядерных реакций и лучше понимаем природный мир вокруг нас. Мы также получили возможность защищать себя от радиации и изучать, как меняются вещества в экстремальных условиях.
«Учитывая, насколько мал атом, просто невероятно, как много физики мы можем извлечь из него», — метко подмечает Харкнесс-Бреннан. Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих мельчайших частиц. И хорошо знать, что они там есть, поскольку именно благодаря им все вокруг стало возможным.
Из чего состоит атом
Большинство из нас проходило тему атома в школе, на уроке по физике. Если же все-таки вы забыли, из чего состоит атом или только начинаете проходить эту тему, данная статья именно для вас.
Чтобы понять, из чего состоит атом, прежде всего необходимо понять, что он из себя представляет. Общепринятым тезисом в школьной программе по физике является то, что атом – наименьшая частица какого-либо химического элемента. Таким образом, атомы есть во всем, что нас окружает. Будь-то одушевленный или неодушевленный предмет, на низших физиологических и химических слоях, оно состоит из атомов.
Атомы – часть молекулы. Несмотря на это убеждение, существую элементы, которые меньше атомов, например кварки. Тему кварков не затрагивают ни в школе, ни в университетах (за исключением частных случаев). Кварк – химический элемент, который не имеет внутренней структуры, т.е. по своему строению намного легче, чем атом. На данный момент науке известно 6 видов кварков.
Все окружающие нас предметы, как уже было сказано, состоят из чего-то. В комнате стол и два стула. Каждый предмет интерьера, в свою очередь, сделан из какого-то материала. В данном случае – из дерева. Дерево состоит из молекул, а эти молекулы – из атомов. И таких примеров можно привести бесконечное множество. Но из чего состоит сам атом?
Атом состоит из ядра, в котором находятся протоны и нейтроны. Протоны – положительно заряженные частицы. Нейтроны же, что вытекает из названия, нейтрально заряжены, т.е. не имеют заряда. Вокруг ядра атома находится поле (электрическое облако), в котором передвигаются электроны (отрицательно заряженные частицы). Число электронов и протонов может отличаться друг от друга. Именно это отличие является ключевым в химии, когда изучается вопрос принадлежности к какому-то веществу.
Атом, у которого число вышеупомянутых частиц отличается, называется ионом. Как вы уже могли догадаться, ион может быть отрицательным и положительным. Отрицательный он в том случае, если количество электронов превосходит количество протонов. И наоборот, если протонов больше – ион будет положительным.
Существует несколько весьма интересных предположений об атоме. Ниже будет приведен список:
- Предположение Демокрита. Демокрит предполагал, что свойство вещества зависит от формы его атома. Таким образом, если что-то имеет свойство жидкости, то это связанно именно с тем, что атомы, из которых эта жидкость состоит – гладкие. Исходя из логики Демокрита, атомы воды и, например, молока – схожи.
- Планетарные предположения. В 20 веке некоторыми учеными были представлены предположения, что атом – есть подобие планет. Одно из таких предположений гласило следующее: на подобии планеты Сатурн, у атома тоже есть кольца вокруг ядра, по которым передвигаются электроны (ядро сравнивается с самой планетой, а электрическое облако – с кольцами Сатурна). Несмотря на объективную схожесть с доказанной теорией, эту версию опровергли. Схожим было предположение Бора-Резерфорда, которое в последствии также было опровергнуто.
Несмотря на это, можно спокойно сказать, что Резерфорд дал большой скачок к пониманию реальной сути атома. Он был прав, когда говорил что атом схож с ядром, которое само по себе положительно, а вкруг него передвигаются атомы. Единственная ошибка его модели это то, что электроны, которые находятся вокруг атома, не передвигаются по какому-то конкретному направлению. Их движение хаотично. Это было доказано и вошло в науку под названием квантовомеханической модели.
Задача по определению степени окисления может оказаться как простой формальностью, так и сложной головоломкой. В первую очередь, это будет зависеть от формулы химического соединения, а также наличия элементарных знаний по химии и математике. Зная основные правила и алгоритм последовательно-логичных действий, о которых пойдет речь в данной статье, при решении задач подобного типа, каждый с легкостью […]
Среди прочих показателей, характеризующих электрическую цепь, проводник, стоит выделить электрическое сопротивление. Оно определяет способность атомов материала препятствовать направленному прохождению электронов. Помощь в определении данной величины может оказать как специализированный прибор – омметр, так и математические расчеты на основании знаний о взаимосвязях между величинами и физическими свойствами материала. Измерение показателя производится в Омах (Ом), обозначением служит […]
Алмаз – самая твердая порода на Земле и во всей Вселенной. Но вот парадокс, состоит алмаз из углерода – самой мягкой породы, по шкале Мооса (есть такая таблица у геологов для измерения прочности, состоящая из 10 минералов, начиная с самого мягкого и заканчивая самым твердым – алмазом). Если рассматривать алмаз на уровне атома, то увидим, […]
Молярная масса – это величина, которая чаще всего встречается при расчётах в химической практике. Она обозначает массу количества вещества. Для того чтобы рассчитать молярную массу вещества, нужно знать: Формулу молекулы вещества, где указано количество атомов элементов, входящих в молекулу. Атомный вес каждого из элементов, составляющих молекулу. Его можно найти в таблице периодической системы элементов Менделеева, […]
Ещё со школы мы знаем – все вокруг нас состоит из молекул, мельчайших частиц, что беспрестанно взаимодействуют между собой. Давайте обновим наши знания и вспомним, почему камень трудно сжать в руках, а вода может склеить разорвавшийся лист дерева. 1 Как взаимодействуют между собой молекулы – взаимное притяжение молекул Все вокруг нас: жидкие и твёрдые предметы, […]
Вода – важнейшее вещество на нашей планете, без которого не может существовать живой мир. Это непросто два атома водорода и один атом кислорода. Структура молекулы воды более сложная, чем может показаться на первый взгляд. Она способна запоминать всё происходящие вокруг себя. Впитывая энергетику окружающего мира, вода может становиться целебной или превращаться в яд. Воду нужно […]
Звонки в Белоруссию не отличаются от звонков в любую другую страну мира. Для этого вам необходимо знать код города и собственно номер вызываемого абонента. 1 Как позвонить в Белоруссию – города Белоруссии и их телефонные коды В Белоруссии всего шесть областных центров. Это: Минск, Могилев, Гродно, Гомель, Брест и Витебск. Каждой области присвоен уникальный телефонный […]
В последнее время кальян набрал большую популярность. Он стал неотъемлемой частью кафе, ресторанов, клубов. Многие люди уже не представляют себе своего отдыха без ароматного кальянного дыма. Но чтобы в полной мере насладиться кальяном, необходимо уметь правильно его заправить. 1 Как заправить кальян. Из чего состоит кальян? Чтобы разобраться, как правильно заправлять кальян, сначала нужно изучить, […]
Источники:
http://www.syl.ru/article/198387/new_chto-takoe-atom-iz-kakih-chastey-on-sostoit-i-v-chem-izmeryaetsya-ego-massa
http://hi-news.ru/research-development/otkuda-my-znaem-chto-vse-sostoit-iz-atomov.html
Загрузка...
