Структура атама. Энергетычныя ўзроўні атама. Пратоны, нейтроны, электроны

Назва «атам» з грэцкага перакладаецца як «непадзельны». Усе вакол нас - цвёрдыя рэчывы, вадкасці і паветра - пабудавана з мільярдаў гэтых часціц.

З'яўленне версіі аб атаме

Упершыню пра атамы стала вядома ў V стагоддзі да нашай эры, калі грэцкі філосаф Дэмакрыт выказаў здагадку, што матэрыя складаецца з якія рухаюцца маленькіх часцінак. Але тады не было магчымасці праверыць версію іх існавання. І хоць ніхто не мог убачыць гэтыя часціцы, ідэя абмяркоўвалася, бо толькі так навукоўцы маглі растлумачыць працэсы, якія адбываюцца ў рэальным свеце. Таму яны верылі ў існаванне мікрачасцін задоўга да таго часу, калі змаглі даказаць гэты факт.

Толькі ў XIX ст. яны сталі аналізавацца як драбнюткія складнікі хімічных элементаў, якія маюць канкрэтныя ўласцівасці атамаў - здольнасць уступаць у злучэнні з іншымі ў строга прызначаным колькасці. Спачатку XX стагоддзя лічылася, што атамы - мінімальныя часцінкі матэрыі, пакуль не было даказана, што яны складаюцца з яшчэ меншых адзінак.

З чаго складаецца хімічны элемент?

Атам хімічнага элемента - мікраскапічны будаўнічы цаглінка матэрыі. Вызначальным прыкметай гэтай мікрачасціны стала малекулярная маса атама. Толькі адкрыццё перыядычнага закона Мендзялеева абгрунтавала, што іх віды ўяўляюць сабой разнастайныя формы адзінай матэрыі. Яны настолькі малыя, што іх немагчыма ўбачыць, ужываючы звычайныя мікраскопы, толькі самыя магутныя электронныя прыборы. Для параўнання, валасок на руцэ чалавека ў мільён разоў шырэй.

Электронная структура атама мае ядро, якое складаецца з нейтронаў і пратонаў, а таксама электронаў, якія здзяйсняюць абароты вакол цэнтра на пастаянных арбітах, як планеты вакол сваіх зорак. Усе яны змацаваныя электрамагнітнай сілай, адной з чатырох галоўных ў сусвеце. Нейтроны - гэта часцінкі з нейтральным зарадам, пратоны надзелены станоўчым, а электроны - адмоўным. Апошнія прыцягваюцца да станоўча зараджаным пратонаў, таму ім уласціва заставацца на арбіце.

структура атама

У цэнтральнай частцы маецца ядро, якое запаўняе мінімальную частка ўсяго атама. Але даследаванні паказваюць, што амаль уся маса (99.9%) размешчана менавіта ў ім. Кожны атам змяшчае пратоны, нейтроны, электроны. Лік верцяцца электронаў у ім складае дадатнага цэнтральным зараду. Часціцы з аднолькавым зарадам ядра Z, але рознымі атамнай масай А і лікам нейтронаў у ядры N называюцца ізатопамі, а з аднолькавай А і рознымі Z і N - ізабарны. Электрон - мінімальная часціца рэчывы з адмоўным электрычным зарадам е = 1,6 · 10-19 кулона. Зарад іёна вызначае колькасць страчаных або прыбаўленне электронаў. Працэс метамарфозы нейтральнага атама ў зараджаны іён называецца іянізацыяй.

Новая версія мадэлі атама

Фізікі адкрылі на сённяшні дзень мноства іншых элементарных часцінак. Электронная структура атама мае новую версію.

Лічыцца, што пратоны і нейтроны, якімі б маленькімі яны не былі, складаюцца з найменшых часцінак, якія называюцца - кварк. Яны складаюць новую мадэль пабудовы атама. Як раней навукоўцы збіралі доказы для існавання папярэдняй мадэлі, так і сёння спрабуюць даказаць існаванне кваркаў.

РТМ - прыбор будучага

Сучасныя навукоўцы могуць убачыць на маніторы кампутара атамныя часцінкі рэчывы, а таксама рухаць іх па паверхні, выкарыстоўваючы спецыяльны інструмент, які носіць назву растравы тунэльны мікраскоп (РТМ).

инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Гэта кампутарызаваны інструмент з наканечнікам, які вельмі асцярожна рухаецца каля паверхні матэрыялу. Калі наканечнік рухаецца, электроны перамяшчаюцца скрозь зазор паміж наканечнікам і паверхняй. Хоць матэрыял выглядае зусім гладкім, на самай справе ён няроўны на атамным узроўні. Кампутар робіць карту паверхні рэчывы, ствараючы вобраз яго часцінак, і навукоўцы, такім чынам, могуць убачыць ўласцівасці атама.

радыеактыўныя часціцы

Адмоўна зараджаныя іёны кружацца вакол ядра на досыць вялікай адлегласці. Структура атама такая, што цэлы ён сапраўды нейтральны і не мае электрычнага зараду, таму што ўсе яго часціцы (пратоны, нейтроны, электроны) знаходзяцца ў балансе.

Радыеактыўны атам - гэта элемент, які можна лёгка расшчапіць. Цэнтр яе складаецца з мноства пратонаў і нейтронаў. Выключэнне ўяўляе зь сябе толькі схема атама вадароду, які мае адзін адзіны пратон. Ядро акружае воблака электронаў, менавіта іх прыцягненне прымушае круціцца вакол цэнтра. Пратоны аднолькавым зарадам адштурхваюць адзін аднаго.

Гэта не праблема для большасці невялікіх часціц, у якіх іх некалькі. Але некаторыя з іх нестабільныя, асабліва гэта тычыцца буйных па памеры, такіх як уран, які мае 92 пратона. Часам яго цэнтр не вытрымлівае такой нагрузкі. Радыеактыўным яны называюцца з-за таго, што выкідваюць некалькі часціц са свайго ядра. Пасля таго, як нестабільнае ядро пазбылася ад пратонаў, тыя, што засталіся ўтвараюць новае даччынае. Яно можа быць стабільным у залежнасці ад колькасці пратонаў у новым ядры, а можа дзяліцца далей. Гэты працэс доўжыцца да таго часу, пакуль не застанецца стабільнае даччынае ядро.

ўласцівасці атамаў

Фізіка-хімічныя ўласцівасці атама заканамерна змяняюцца ад аднаго элемента да іншага. Яны вызначаюцца наступнымі асноўнымі параметрамі.

Атамная маса. Так як асноўнае месца мікрачасціны займаюць пратоны і нейтроны, то сума іх абумоўлівае лік, якую выяўляюць у атамных адзінках масы (а.е.м.) Формула: A = Z + N.

Атамны радыус. Радыус знаходзіцца ў залежнасці ад размяшчэння элемента ў сістэме Мендзялеева, хімічнай сувязі, колькасці атамаў-суседзяў і квантовомеханического дзеянні. Радыус ядра ў сто тысяч разоў менш радыусу самога элемента. Структура атама можа пазбаўляцца электронаў і ператварацца ў станоўчы іён або дадаваць электроны, і станавіцца адмоўным іёнам.

У перыядычнай сістэме Мендзялеева любы хімічны элемент займае сваё ўсталяванае месца. У табліцы памер атама ўзрастае пры перамяшчэнні зверху ўніз і зьмяншаецца пры перамяшчэнні злева направа. Вынікаючы з гэтага, найменшы элемент - гэта гелій, а найбольшы - цэзій.

Валентнасць. Вонкавая электронная абалонка атама называецца валентнай, а электроны ў ёй атрымалі адпаведнае назва - валентныя электроны. Іх колькасць ўсталёўвае то, як атам злучаецца з астатнімі з дапамогай хімічнай сувязі. Спосабам стварэння апошняй мікрачасціны спрабуюць напоўніць свае вонкавыя валентныя абалонкі.

Гравітацыя, прыцягненне - гэта сіла, якая трымае планеты на арбіце, з-за яе выпушчаныя з рук прадметы падаюць на падлогу. Чалавек больш заўважае гравітацыю, але электрамагнітнае дзеянне ў шмат разоў больш магутны. Сіла, якая прыцягвае (або адштурхвае) зараджаныя часціцы ў атаме, у 1000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 разоў больш магутны, чым гравітацыя ў ім. Але ў цэнтры ядра існуе яшчэ больш магутная сіла, здольная ўтрымліваць пратоны і нейтроны разам.

Рэакцыі ў ядрах ствараюць энергію як у ядзерных рэактарах, дзе атамы расшчапляюцца. Чым цяжэй элемент, тым з большага колькасцяў часціц пабудаваныя яго атамы. Калі скласці агульная колькасць пратонаў і нейтронаў у элеменце, даведаемся яго масу. Напрыклад, Уран, самы цяжкі элемент, які ёсць у прыродзе, мае атамную масу 235 або 238.

Дзялення атама на ўзроўні

Энергетычныя ўзроўні атама - гэта велічыня прасторы вакол ядра, дзе ў руху знаходзіцца электрон. Усяго існуе 7 арбіталей, адпаведных ліку перыядаў у табліцы Мендзялеева. Чым больш аддаленую размяшчэнне электрона ад ядра, тым больш значным рэзервам энергіі ён валодае. Нумар перыяду паказвае на лік атамных арбіталей вакол яго ядра. Напрыклад, Калій - элемент 4 перыяду, значыць, ён мае 4 энергетычныя ўзроўні атама. Нумар хімічнага элемента адказвае яго зараду і ліку электронаў вакол ядра.

Атам - крыніца энергіі

Напэўна, самая знакамітая навуковая формула адкрыта нямецкім фізікам Эйнштэйнам. Яна сцвярджае, што маса ёсць не што іншае, як форма энергіі. Зыходзячы з гэтай тэорыі, можна ператварыць матэрыю ў энергію і разлічыць па формуле, колькі яе можна атрымаць. Першым практычным вынікам такога ператварэння сталі атамныя бомбы, якія спачатку былі выпрабаваныя ў пустыні Лос-Аламосе (ЗША), а затым ўзарваліся над японскімі гарадамі. І хоць толькі сёмая частка выбуховага рэчыва ператварылася ў энергію, разбуральная сіла атамнай бомбы была жудаснай.

Для таго каб ядро вызваліла сваю энергію, яно павінна разбурыцца. Каб расшчапіць яго, неабходна падзейнічаць нейтронаў звонку. Тады ядро распадаецца на два іншых, больш лёгкіх, забяспечваючы пры гэтым велізарны выкід энергіі. Распад прыводзіць да вызвалення іншых нейтронаў, а яны працягваюць расшчапляць іншыя ядра. Працэс ператвараецца ў ланцуговую рэакцыю, у выніку ствараючы вялізную колькасць энергіі.

Плюсы і мінусы выкарыстання ядзернай рэакцыі ў наш час

Разбуральную сілу, якая вызваляецца пры ператварэнні матэрыі, чалавецтва спрабуе прыручыць на атамных станцыях. Тут ядзерная рэакцыя адбываецца не ў выглядзе выбуху, а як паступовая аддача цяпла.

Вытворчасць атамнай энергіі мае свае плюсы і мінусы. На думку навукоўцаў, каб падтрымліваць нашу цывілізацыю на высокім узроўні, неабходна выкарыстаць гэты велізарны крыніца энергіі. Але трэба ўлічваць і тое, што нават самыя сучасныя распрацоўкі не могуць гарантаваць поўнай бяспекі атамных электрастанцый. Акрамя таго, атрыманыя ў працэсе вытворчасці энергіі радыеактыўныя адходы пры неналежным захоўванні могуць адбівацца на нашых нашчадкаў на працягу дзясяткаў тысяч гадоў.

Пасля аварыі на Чарнобыльскай АЭС усё больш людзей лічыць вытворчасць атамнай энергіі вельмі небяспечным для чалавецтва. Адзінай бяспечнай электрастанцыяй такога роду з'яўляецца Сонца са сваёй ядзернай энергіяй велізарнай магутнасці. Навукоўцы распрацоўваюць разнастайныя мадэлі сонечных батарэй, і, магчыма, у недалёкай будучыні чалавецтва зможа забяспечыць сябе бяспечнай атамнай энергіяй.