Строение атома: живая 3D-модель и конструктор

Можно ли делить без конца?

Представьте, что вы режете камешек пополам, потом ещё пополам, и так снова и снова. Дойдёте ли вы до кусочка, который уже нельзя разрезать? Около 400 года до н. э. греческий мыслитель Демокрит ответил: да. Последний кусочек он назвал «атомос», то есть «неделимый», и представлял атомы разных форм, движущиеся в пустоте. Приборов у него не было, так что это была догадка, а не измерение. Другие мудрецы, например Аристотель, считали вещество сплошным до самого конца, и около двух тысяч лет эта точка зрения в основном побеждала. Следите за картиной: брусок делится и делится, пока не останется одна крупинка.

Дальтон и атомы элемента

В 1808 году английский учитель Джон Дальтон превратил древнюю идею в науку. Элементы, предположил он, состоят из атомов, причём все атомы одного элемента одинаковы, а атомы разных элементов различаются прежде всего массой. Соединения образуются, когда атомы разных элементов соединяются в строгих целочисленных отношениях. Так объяснилось, почему в воде всегда одна и та же доля водорода и кислорода. Сегодня мы знаем, что атомы одного элемента могут чуть различаться по массе и что атом можно расщепить. И всё же химия как счёт и перестановка атомов — именно так записано каждое уравнение в этой книге.

Открытие электрона

В 1897 году Дж. Дж. Томсон изучал лучи в стеклянной трубке и нашёл частицы примерно в две тысячи раз легче самого лёгкого атома. Они несли отрицательный заряд. Это был электрон — первая деталь внутри атома. Модель Томсона рисовала мягкий положительный шар с вкраплёнными электронами, как изюм в пудинге, и продержалась четырнадцать лет. Обратите внимание на её предсказание: если положительный заряд размазан ровно, быстрая тяжёлая частица, выпущенная в тонкий лист, должна лететь сквозь него, лишь слегка отклоняясь. Запомните это предсказание для следующего блока.

Золотая фольга Резерфорда

В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден в лаборатории Эрнеста Резерфорда в Манчестере обстреливали альфа-частицами очень тонкую золотую фольгу. Почти все частицы пролетали насквозь. Но примерно одна из восьми тысяч отскакивала назад, и Резерфорд позже сравнил это с тем, как если бы большой снаряд отскочил от папиросной бумаги. В 1911 году он объяснил: почти вся масса и весь положительный заряд собраны в крошечном ядре, а остальной атом — в основном пустота с лёгкими электронами. Ядро примерно в 100 000 раз уже атома. Если атом увеличить до размеров стадиона, ядро будет песчинкой в центре.

Оболочки Бора

В 1913 году датский физик Нильс Бор поместил электроны на строго определённые уровни вокруг ядра, словно на полки, и показал, что так объясняются цвета, которые испускают нагретые атомы. На каждой оболочке помещается ограниченное число электронов: на первой 2, на второй 8, а у первых восемнадцати элементов на третью считают 8. Возьмите натрий, у него 11 электронов: 2 на первой оболочке, 8 на второй и один одиноко сидит на третьей. Этот одинокий внешний электрон и делает натрий таким активным. На картине видно, как электрон перескакивает с оболочки на оболочку, поглощая или отдавая свет.

Облака, а не орбиты

Круги Бора хорошо описывали водород, но не справлялись с более тяжёлыми атомами. В 1925–1926 годах Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер заменили орбиты орбиталями: областями, где электрон, скорее всего, находится. Электрон — не крошечная планета. Он ведёт себя скорее как волна вероятности, поэтому атом выглядит размытым облаком вокруг ядра. Оболочки остались как удобный способ вести счёт. Теперь картина показывает облако из тысяч бледных точек, сгущающихся там, где электрон встречается чаще всего, вокруг ядра, настолько малого, что для его разглядывания нужно увеличить картину в сто тысяч раз.

Соберите атом

Теперь соберите свой атом. Под картиной добавляйте и убирайте протоны, нейтроны и электроны, и подпись будет меняться. Число протонов, атомный номер Z, определяет элемент: 6 протонов — всегда углерод, 8 — всегда кислород. Массовое число A — это протоны плюс нейтроны, а заряд — протоны минус электроны. Пример: 11 протонов, 12 нейтронов и 10 электронов дают натрий-23, где A = 11 + 12 = 23, а заряд 11 − 10 = +1, то есть Na⁺. Если менять только нейтроны, получится другой изотоп того же элемента. Перекос между числом нейтронов и протонов намекает, что ядро неустойчиво и может распасться.

Атомы: мельчайшие частицы