Что такое атом и из чего он состоит: строение простыми словами

Что такое атом

Атом — это наименьшая частица химического элемента, которая сохраняет его химические свойства. Само слово происходит от древнегреческого ἄτομος (átomos) — «неделимый» [1]. Древние философы считали атом мельчайшей частицей материи, которую нельзя разделить. Сегодня известно, что он делится и имеет сложную внутреннюю структуру, но название сохранилось.

Размеры атомов — порядка 0,1 нанометра (10-10 метра) [2]. Для сравнения: толщина человеческого волоса в миллион раз больше диаметра атома. Масса тоже крайне мала: например, водород весит так мало, что потребуется около 600 миллиардов триллионов его атомов, чтобы набрать один грамм.

Атомы соединяются друг с другом и образуют молекулы, а молекулы — вещества. Например, молекула воды (H2O) состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Разные виды атомов называются химическими элементами — их известно 118, они систематизированы в периодической таблице Менделеева [3]. Все вокруг нас — воздух, вода, камни, растения и наши тела — состоит из атомов. Они образуют каждый объект во Вселенной, от песчинки до звезды.

Кто открыл атом

Идею о мельчайших неделимых частицах выдвинул древнегреческий философ Левкипп [4], а его ученик Демокрит [5] развил ее и дал им название «атом». По Демокриту, атомы вечны, бесчисленны и постоянно движутся.

Научное обоснование дал английский химик Джон Дальтон [6] в начале XIX века: он предположил, что каждый элемент состоит из одинаковых атомов определенной массы, а химические реакции — это перегруппировка атомов.

Долгое время существование атомов оставалось гипотезой — их никто не наблюдал напрямую. В начале XX века серия экспериментов подтвердила, что атомы реальны и имеют внутреннюю структуру: в 1897 году Джозеф Джон Томсон обнаружил электрон [7], а в 1911 году Эрнест Резерфорд направлял альфа-частицы на золотую фольгу и сделал вывод, что в центре атома находится крошечное плотное ядро [8].

Строение атома

Атом состоит из ядра в центре и электронной оболочки вокруг него. Ядро примерно в 100 000 раз меньше [9] самого атома: оно содержит протоны и нейтроны, а вокруг него движутся электроны.

Строение атома (Фото: Международное агентство по атомной энергии)

Протоны

Протоны — положительно заряженные частицы в ядре атома. Заряд равен +1. Число протонов определяет, к какому элементу принадлежит атом: у водорода один протон, у углерода — шесть, у железа — 26. Это число называется атомным номером [10] и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.

Нейтроны

Нейтроны — электрически нейтральные частицы в ядре. По массе почти не отличаются от протонов, заряда не несут. Число нейтронов у атомов одного элемента может различаться — такие разновидности называются изотопами [11].

Электроны

Электроны — отрицательно заряженные частицы, обращающиеся вокруг ядра. Заряд равен −1, масса в 1 836 раз меньше [12] массы протона. В нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, поэтому суммарный заряд равен нулю. Если атом теряет или приобретает электроны, он становится ионом [13].

Атомное ядро

Ядро — центральная часть атома, в которой сосредоточено более 99,9% его массы. Состоит из протонов и нейтронов — вместе их называют нуклонами [14], заряд равен числу протонов. Они отталкиваются друг от друга, но ядро удерживается благодаря сильному ядерному взаимодействию [15].

Схема строения атома

Электроны в атоме не летают хаотично — они располагаются на определенных энергетических уровнях [16], которые можно представить как оболочки, одна внутри другой. Сначала заполняется ближайшая к ядру оболочка, затем — следующие. Порядок заполнения подчиняется определенным правилам, и у тяжелых элементов он не всегда строго последовательный.

На схемах это изображают в виде концентрических окружностей вокруг ядра, точками обозначают электроны. У гелия на единственной оболочке два электрона, у углерода — два на первой и четыре на второй. Каждая оболочка вмещает ограниченное число электронов: первая — не больше 2, вторая — до 8, третья — до 18.

Схема строения атома (Фото: «Профильное обучение»)

Модели атома

Представления о строении атома менялись по мере накопления экспериментальных данных. Рассказываем о ключевых моделях.

«Пудинг с изюмом» (Томсон, 1904)

Модель атома «Пудинг с изюмом» (Фото: Википедия)

Физик Джозеф Джон Томсон представил атом как сферу с равномерно распределенным положительным зарядом, в которую вкраплены электроны — как изюминки в пудинге. Модель [17] объяснила электрическую нейтральность атома, но не выдержала проверки экспериментом.

Планетарная модель (Резерфорд, 1911)

Планетарная модель атома (Фото: Википедия)

После опытов по рассеиванию альфа-частиц [18] Эрнест Резерфорд показал [19]: почти вся масса атома сосредоточена в крошечном ядре, а электроны вращаются вокруг него на произвольном расстоянии — как планеты вокруг Солнца. Но по законам классической физики такой электрон должен непрерывно терять энергию и упасть на ядро. Модель объяснила структуру атома, но не его стабильность — эту задачу позже решил Бор.

Модель Бора (1913)

Модель атома Бора (Фото: «Элементы»)

Нильс Бор дополнил планетарную модель идеей квантования [20]: электроны движутся не на любом расстоянии от ядра, а только на определенных орбитах. Пока электрон на своей орбите, он не теряет энергию. Перескочить на другую орбиту можно, только поглотив или излучив строго определенную порцию энергии — квант [21].

Квантово-механическая модель (1920-е)

Современная модель. Чем больше электронов в атоме, тем разнообразнее формы их орбиталей (Фото: Khan Academy)

Современная модель [22] отказывается от орбит вовсе. В ней электрон ведет себя одновременно как частица и как волна, и его точное положение нельзя определить — можно лишь рассчитать вероятность обнаружить его в той или иной области пространства. Эту область называют электронным облаком, или орбиталью. Орбитали имеют разную форму — от простой сферы до сложных объемных фигур — и именно они определяют, как атомы соединяются друг с другом.

Главное

• Атом — мельчайшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. Все вокруг нас состоит из атомов.
• Идею о неделимых частицах вещества выдвинули древнегреческие философы Левкипп и Демокрит в V веке до нашей эры. Научное обоснование дал Джон Дальтон в начале XIX века.
• Атом состоит из ядра (протоны и нейтроны) и электронной оболочки. Более 99,9% массы сосредоточено в ядре.
• Число протонов определяет, к какому элементу принадлежит атом. Число нейтронов в атоме одного вещества может варьироваться — такие разновидности называются изотопами.
• Электроны располагаются на энергетических уровнях, каждый из которых вмещает ограниченное число этих частиц.
• Представления о строении атома эволюционировали: от «пудинга с изюмом» Томсона до квантово-механической модели с электронными облаками.