Представление о строении атома
1. Модель Дж. Томсона
Первые экспериментальные факты, доказывающие сложное строение атома, появились в процессе изучения электрического тока в вакууме. В вакууме, где нет других веществ, кроме материалов катода и анода, может протекать электрический ток, если катод нагреть (Рис. 1). Было установлено, что частицы, испускаемые веществом, из которого сделан катод, имеют отрицательный заряд и очень маленькую массу. Их назвали электронами.
Рис. 1. Прибор Томсона для измерения отклонения катодных лучей под действием электрического тока
Так появилась одна из первых моделей строения атома, которую предложил английский физик Джозеф Томсон (Рис. 2). В соответствии с этой моделью, атом представляет собой шар, состоящий из положительно заряженного вещества с вкраплениями отрицательно заряженных электронов (наподобие изюма в бисквите).
Рис. 2. Модель строения атома, предложенная Дж. Томсоном
Особенность модели Томсона заключалась в предположении того, что положительный заряд «размыт» внутри атома и не «вылетает» из него, т. к. обладает значительно большей массой по сравнению с электронами.
2. Модель Э. Резерфорда
Следующим удивительным экспериментальным фактом было открытие Беккерелем в 1896 г. явления радиоактивности. Было обнаружено, что атомы некоторых элементов самопроизвольно распадаются с образованием новых атомов, электронов и α-частиц. Также установили, что α-частицы имеют положительный заряд и относительно большую массу.
С помощью α-частиц Эрнест Резерфорд и его ученики провели эксперимент, результаты которого опровергли модель строения атома Дж. Томсона. Англичанин Эрнест Резерфорд и его ученики поставили следующий эксперимент: направляли быстрый поток α-частиц на тонкую золотую фольгу. Оказалось, что большинство α-частиц проходит через фольгу беспрепятственно, небольшая часть отклоняется на различные углы, а примерно 1 на 10 000 частиц отскакивает в обратном направлении (Рис. 3).
Рис. 3. Схема опыта Э. Резерфорда
Результаты опыта противоречили модели Томсона. Частица с большой массой и положительным зарядом может отскочить назад, если только встретит в качестве препятствия большой положительный заряд, сконцентрированный в одном месте.
Положительный заряд, сконцентрированный в центре атома, Резерфорд назвал ядром и предложил свою модель строения атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны (Рис.4). При этом основная масса атома сосредоточена в ядре, масса электронов очень мала.
Суммарный заряд ядра и электронов должен быть равен нулю, т. к. атом в целом электронейтрален.
Модель Резерфорда напоминает Солнечную систему, поэтому ее назвали «планетарной».
Рис. 4. Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом
3. Состав ядра атома. Изотопы
Порядковый номер элемента в Периодической системе численно равен заряду ядра атома химического элемента. Так как атом в целом заряда не имеет, то и число отрицательно заряженных частиц – электронов – в атоме должно быть тоже равным порядковому номеру.
Существуют атомы с одинаковым зарядом ядра, но разной массой. Такие атомы называются изотопами.
Ядро атома состоит из протонов нейтронов (Рис. 5).
Протон р – элементарная частица, имеющая заряд +1 и относительную массу, равную 1.
Нейтрон n – частица, не имеющая заряда, с относительной массой 1.
Масса атома в основном складывается из суммы масс всех протонов и нейтронов. Массой электронов при расчетах пренебрегают, т. к. она очень мала (масса 1 электрона в 1841 раз меньше массы 1 протона или нейтрона).
Заряд ядра атома определяет число находящихся в нем протонов.
Таким образом, изотопы одного химического элемента различаются между собой числом нейтронов в ядре.
Изотопы – атомы одного химического элемента, различающиеся массой, а значит, числом нейтронов в ядре.
Рис. 5. Состав атома