Довгий час для дослідників залишалися секретом багато властивостей матерії. Чому одні речовини відмінно проводять електрику, а інші – ні? Чому залізо поступово руйнується під впливом атмосфери, а благородні метали відмінно зберігаються протягом тисяч років? Багато з цих питань знайшли відповідь після того, як людині стало відомо пристрій атома: його будову, число електронів на кожному електронному шарі. Більш того, освоєння навіть самих основ будови атомних ядер відкрило світові нову еру.


З яких елементів побудований елементарний цеглинка речовини, як вони взаємодіють між собою, ніж з цього ми навчися користуватися?

Будова атома в поданні сучасної науки

В даний час більшість вчених схильні дотримуватися планетарної моделі будови матерії. Згідно цієї моделі в центрі кожного атома знаходиться ядро, крихітне навіть порівняно з атомом (він у десятки тисяч разів дрібніше цілого атома). Зате про масі ядра такого не скажеш. Практично вся маса атома зосереджена саме в ядрі. Ядро заряджена позитивно. Навколо ядра обертаються електрони по різних орбітах, не круговим, як у випадку з планетами Сонячної системи, а об'ємним (сфери і об'ємні вісімки). Число електронів в атомі чисельно дорівнює заряду ядра. Але розглядати електрон як частинку, яка рухається якийсь траєкторії, дуже складно. Його орбіта крохотна, а швидкість майже як у світлового променя, тому правильніше розглядати електрон разом з його орбітою як якусь негативно заряджену сферу.

Члени атомної сім'ї

Всі атоми складаються з 3 складових елементів: протонів, електронів і нейтронів. Протон – головний будівельний матеріал ядра. Його вага дорівнює атомної одиниці (маса атома водню) або 167 • 10 -27 кг в системі СІ. Заряджена частинка позитивно, причому заряд її прийнятий за одиницю у системі елементарних електричних зарядів.


Нейтрон – близнюк протона по масі, але ніяк не заряджений. Дві вищезгадані частинки називають нуклідами. Електрон – протилежність протону за зарядом (елементарний заряд дорівнює -1). Але ось за вагою електрон підкачав, маса його всього-то 912 • 10 -31 кг, що майже в 2 тисячі разів легше від протона або нейтрона.

Як це «розгледіли»

Як можна було розгледіти будова атома, якщо навіть найсучасніші технічні засоби не дозволяють і в найближчій перспективі не дозволять отримати зображення складових його частинок. Як же вчені дізналися число протонів, нейтронів і електронів у ядрі та їх розташування? Припущення про планетарному пристрої атомів було зроблено на основі результатів бомбардування тонкої металевої фольги різними частками. На малюнку добре видно, як взаємодіють з речовиною різні елементарні частинки. Число електронів, що пройшли крізь метал, в дослідах дорівнювало нулю. Це пояснюється просто: негативно заряджені електрони відштовхуються від електронних оболонок металу, також мають негативний заряд. Пучок протонів (заряд +) проходив через фольгу, але з «втратами». Частина відштовхувалася від попалися на шляху ядер (ймовірність таких влучень дуже незначна), частина відхилялася від первісної траєкторії, пролетівши занадто близько до одного з ядер.
Найбільш результативними» в частині подолання металу стали нейтрони. Нейтрально заряджена частинка губилася лише у разі прямого зіткнення з ядром речовини, 9999% нейтронів благополучно проходили крізь товщу металу. До речі, розмір ядер тих чи інших хімічних елементів вдалося розрахувати саме виходячи з кількості нейтронів на вході і не вихід. На основі отриманих даних і була побудована домінуюча в даний час теорія будови речовини, яка успішно пояснює більшість питань.

Чого і скільки

Число електронів в атомі залежить від порядкового номера. Так, в атомі звичайного водню є всього один протон. Навколо ж по орбіті паморочиться єдиний електрон. Наступний елемент періодичної таблиці – гелій влаштований трішки складніше. Його ядро складається з двох протонів і двох нейтронів і має, таким чином, атомну масу 4. Із зростанням порядкового номера зростають розміри і маса атома. Порядковий номер хімічного елемента в таблиці Менделєєва відповідає заряду ядра (кількістю в ньому протонів). Число електронів в атомі дорівнює числу протонів. Так, атом свинцю (порядковий номер 82) має у своєму ядрі 82 протона. На орбітах навколо ядра знаходяться 82 електрона. Щоб розрахувати кількість нейтронів у ядрі, достатньо від атомної маси відняти число протонів: 207 – 82 = 125.

Чому їх завжди порівну

Будь-яка система в нашій Всесвіту прагне до стабільності. Стосовно до атому це виражається в його нейтральності. Якщо на секунду уявити, що всі без винятку атомів у Всесвіті володіють тим чи іншим зарядом різної величини з різними знаками, можна собі уявити, який би в світі настав хаос. Але так як число протонів і електронів в атомі одно, підсумковий заряд кожного «цеглинки» дорівнює нулю. Кількість же нейтронів в атомі - самостійна величина. Більш того, атоми одного і того ж хімічного елемента можуть мати різну кількість цих частинок з нульовим зарядом. Приклад:

1 протон + 1 електрон + 0 нейтронів = водень (атомна маса 1);

1 протон + 1 електрон + 1 нейтрон = дейтерій (атомна маса 2);

1 протон + 1 електрон + 2 нейтрона = тритій (атомна маса 3).

У даному випадку число електронів в атомі не змінюється, атом залишається нейтральним, змінюється його маса. Такі варіації хімічних елементів прийнято називати ізотопами.

Завжди атом нейтральний

Ні, не завжди число електронів в атомі дорівнює числу протонів. Якщо б у атома на час не можна було «відібрати» електрон або два, не існувало такого поняття, як гальваніка. На атом, як на будь-яку матерію, можна впливати. Під впливом досить сильного електричного поля зовнішнього шару атома один або декілька електронів можуть «полетіти». У цьому випадку частинка речовини перестає бути нейтральною і називається іоном. Вона може пересуватися в середовищі газу або рідини, переносячи електричний заряд від одного електрода до іншого. Таким чином запасають електричний заряд акумуляторних батареях, а також наносять найтонші плівки з одних металів на поверхні інших (золочення, сріблення, хромування, нікелювання і т. д.). Нестабільно число електронів і в металах – провідниках електричного струму. Електрони зовнішніх шарів як би гуляють з атома на атом, переносячи по провіднику електричну енергію.