Что такое атом? Факты о строительных блоках Вселенной

Атомы состоят из ядра, протонов и электронов.

Атомы состоят из ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которых вращаются электроны. (Изображение предоставлено: Рост-9Д через Getty Images)

• Атомные частицы
• ядро
• Протоны
• Электроны
• Нейтроны
• История атома
• Дополнительные ресурсы

Атомы являются основными единицами материи. Согласно Северо-Западному университету, все во Вселенной, кроме энергии, состоит из материи, поэтому все во Вселенной состоит из атомов (opens in new tab). Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», потому что когда-то считалось, что атомы — это самые маленькие объекты во Вселенной, и их нельзя разделить. Теперь мы знаем, что атомы состоят из трех частиц, известных как субатомные частицы: протоны, нейтроны и электроны, которые состоят из еще более мелких частиц, таких как кварки.

Атомы были созданы после Большого Взрыва 13,7 миллиардов лет назад. Когда горячая и плотная новая Вселенная остыла, условия стали подходящими для образования кварков и электронов. Кварки объединились, чтобы сформировать протоны и нейтроны, и эти частицы объединились в ядра. По данным CERN, все это произошло в течение первых нескольких минут существования Вселенной (opens in new tab).

Вселенной потребовалось 380 000 лет, чтобы достаточно охладиться, чтобы замедлить электроны, чтобы ядра могли захватить их и образовать первые атомы. По данным лаборатории Джефферсона, самыми ранними атомами были прежде всего водород и гелий, которые до сих пор являются самыми распространенными элементами во Вселенной. Гравитация в конечном итоге заставила облака газа слиться и образовать звезды, а более тяжелые атомы были (и до сих пор) создаются внутри звезд и разлетаются по Вселенной, когда звезда взорвалась (сверхновая).

Атомные частицы

Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающемся вокруг ядра.Электронное облако имеет радиус в 10 000 раз больше, чем ядро, по данным Лос-Аламосской национальной лаборатории (opens in new tab).

Протоны и нейтроны имеют примерно одинаковую массу. Однако один протон примерно в 1835 раз массивнее электрона. Атомы всегда имеют одинаковое количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов обычно также одинаково. Добавление протона к атому создает новый элемент, а добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию этого атома.

ядро

Ядро было открыто в 1911 году Эрнестом Резерфордом, физиком из Новой Зеландии, по данным Американского института физики (opens in new tab). В 1920 году Резерфорд предложил название протон для положительно заряженных частиц атома. Он также предположил, что внутри ядра находится нейтральная частица, что Джеймс Чедвик, британский физик и ученик Резерфорда, смог подтвердить в 1932 году.

Согласно Chemistry LibreTexts (открывается в новой вкладке), практически вся масса атома находится в его ядре. Протоны и нейтроны, из которых состоит ядро, имеют примерно одинаковую массу (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент, или спин.

Ядро удерживается вместе сильным взаимодействием, одним из четырех основных сил в природе. Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает электрическую силу отталкивания, которая в противном случае раздвинула бы протоны в соответствии с законами электричества. Некоторые атомные ядра нестабильны, потому что сила связи различается для разных атомов в зависимости от размера ядра. Эти атомы затем распадаются на другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.

Протоны

Протоны — это положительно заряженные частицы, находящиеся внутри атомных ядер. Резерфорд обнаружил их в экспериментах с электронно-лучевыми трубками, которые проводились между 1911 и 1919 годами. По данным лаборатории Джефферсона, протоны примерно на 99,86% массивнее нейтронов (opens in new tab).

Количество протонов в атоме уникально для каждого элемента. Например, у атомов углерода шесть протонов, у атомов водорода — один, а у атомов кислорода — восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Количество протонов также определяет химическое поведение элемента. Элементы расположены в Периодической таблице элементов в порядке возрастания атомного номера.

Каждый протон состоит из трех кварков — двух «верхних» кварков (каждый с положительным зарядом на две трети) и одного «нижнего» кварка (с отрицательным зарядом на одну треть) — и они удерживаются вместе другими субатомными частицами, называемыми глюонами. которые безмассовы.

Электроны

Электроны крошечные по сравнению с протонами и нейтронами, более чем в 1800 раз меньше, чем протон или нейтрон. По данным лаборатории Джефферсона, электроны примерно на 0,054% массивнее нейтронов.

По данным Института истории науки, британский физик Джозеф Джон (Дж. Дж.) Томсон открыл электрон в 1897 году. Первоначально известные как «корпускулы», электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам. Электроны окружают атомное ядро ​​путями, называемыми орбиталями. Эту идею выдвинул австрийский физик Эрвин Шредингер в 1920-х годах. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака. Внутренние орбитали, окружающие атом, имеют сферическую форму, но внешние орбитали намного сложнее.

Электронная конфигурация атома относится к расположению электронов в типичном атоме. По данным Лос-Аламосской национальной лаборатории, используя электронную конфигурацию и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, температура кипения и проводимость.

Нейтроны

Согласно Американскому физическому обществу, существование нейтрона было теоретизировано Резерфордом в 1920 году и открыто Чедвиком в 1932 году. Нейтроны были обнаружены в ходе экспериментов, когда атомы стреляли в тонкий лист бериллия. Высвободились субатомные частицы без заряда — нейтрон.

Нейтроны — незаряженные частицы, находящиеся во всех атомных ядрах (кроме водорода). Масса нейтрона немного больше массы протона. Как и протоны, нейтроны также состоят из кварков — одного «верхнего» кварка (с положительным зарядом в 2/3) и двух «нижних» кварков (каждый с отрицательным зарядом в одну треть).

История атома

Теория атома восходит как минимум к 440 г. до н.э. Демокриту, греческому ученому и философу. Демокрит, скорее всего, построил свою теорию атомов на работах философов прошлого, по словам Эндрю Дж. Ван Мелсена, автора книги «От атома к атому: история концептуального атома» (издательство Duquesne University Press, 1952).

Демокритовое объяснение атома начинается с камня. Камень, разрезанный пополам, дает две половинки одного и того же камня. Если бы камень нужно было непрерывно резать, в какой-то момент найдется кусок камня, настолько маленький, что его уже нельзя будет разрезать. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый», которое, по заключению Демокрита, должно быть точкой, в которой существо (любая форма материи) больше не может быть разделено, согласно образовательному веб-сайту Lumen Learning (opens in new tab).

Его объяснение включало идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, что атомы способны двигаться, что они могут объединяться вместе, создавая материю, но не сливаются, чтобы стать новым атомом, и что они не может быть разделен, согласно Universe Today (открывается в новой вкладке). Однако, поскольку большинство философов того времени — особенно очень влиятельный Аристотель — считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, атомная теория Демокрита была отброшена.

Джон Дальтон, британский химик, опирался на идеи Демокрита в 1803 году, когда он выдвинул свою собственную атомную теорию, согласно химическому факультету Университета Пердью (opens in new tab). Теория Дальтона включала в себя несколько идей Демокрита, таких как неделимость и неразрушимость атомов, а также то, что различные атомы формируются вместе, чтобы создать всю материю. Дополнения Дальтона к теории включали следующие идеи: что все атомы определенного элемента идентичны, что атомы одного элемента будут иметь различный вес и свойства, чем атомы другого элемента, что атомы не могут быть созданы или уничтожены и что материя образована атомы, объединяющиеся в простые целые числа.

Томсон, британский физик, открывший электрон в 1897 году, доказал, что атомы можно разделить, по данным Фонда химического наследия (opens in new tab). Он смог определить существование электронов, изучая свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках. Согласно статье Томсона 1897 года, лучи отклонялись внутри трубки, что доказывало наличие чего-то отрицательно заряженного внутри вакуумной трубки.

В 1899 году Томсон опубликовал описание своей версии атома, широко известной как «модель сливового пудинга». Выдержка из этой статьи находится на сайте Chem Team (opens in new tab). Модель атома Томсона включала большое количество электронов, подвешенных в чем-то, что создавало положительный заряд, придавая атому в целом нейтральный заряд. Его модель напоминала сливовый пудинг, популярный британский десерт с изюмом, подвешенным в круглом шаре, похожем на пирог.

Следующим ученым, который еще больше модифицировал и усовершенствовал атомную модель, был Резерфорд, который учился у Томсона, согласно химическому факультету Университета Пердью. В 1911 году Резерфорд опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, вращающееся вокруг электронов.Эта модель возникла, когда Резерфорд и его помощники стреляли альфа-частицами по тонким листам золота. Согласно данным Лаборатории Джефферсона, альфа-частица (opens in new tab) состоит из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых вместе одной и той же сильной ядерной силой, которая связывает ядро.

Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц рассеивался под очень большими углами к первоначальному направлению движения, в то время как большинство проходило насквозь почти не возмущаясь. Резерфорд смог приблизиться к размеру ядра атома золота, обнаружив, что он по крайней мере в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома, при этом большая часть атома представляет собой пустое пространство. Модель атома Резерфорда до сих пор является основной моделью, используемой сегодня.

Несколько других ученых развили модель атома, в том числе Нильс Бор (откроется в новой вкладке) (построен на модели Резерфорда, чтобы включить свойства электронов, основанные на спектре водорода), Эрвин Шредингер (разработал квантовую модель атома), Вернер Гейзенберг (заявил что невозможно одновременно знать и положение, и скорость электрона), и Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг (независимо разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков).

Дополнительные ресурсы

• Узнайте больше о ранней Вселенной (открывается в новой вкладке) от CERN.
• Узнайте больше об истории атомной химии в этом видео от Академии Хана (откроется в новой вкладке).
• Посмотрите это полезное слайд-шоу об атомах (откроется в новой вкладке) из лаборатории Джефферсона.