Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом

Из чего состоит атом. Его история

Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом

Атомы – основные единицы материи. Термин происходит от древнегреческого “неделимый”, потому что раньше считалось, что атомы являются наименьшими частицами во вселенной и не могут быть разделены. Но сейчас мы знаем, что атомы состоят из трех частиц – протонов, нейтронов и электронов, которые состоят из еще более меньших частиц, таких как кварки.

Атомы были сформированы после Большого Взрыва 13,7 миллиардов лет назад.

Когда горячая и плотная новорожденная вселенная начала охлаждаться, то условия в ней стали подходящими для образования кварков и электронов.

Кварки объединились для образования протонов и нейтронов, и эти частицы объединились в ядро. Согласно данным ЦЕРН, это произошло в течении первых нескольких минут существования Вселенной.

Потребовалось 380 000 лет, чтобы вселенная остыла настолько, чтобы электроны замедлились и ядра смогли захватить их. Так смогли образоваться первые атомы.

Самые ранние атомы были в основном водородом и гелием, которые по-прежнему являются самыми распространенными элементами во вселенной.

Благодаря гравитации облака газа слились и образовались звезды, а более тяжелые атомы как раз и создаются благодаря звездам и “посылаются” во вселенную после взрыва звезды.

Атомные частицы

Протоны и нейтроны тяжелее электронов и находятся в ядре в самом центре атома. Электроны чрезвычайно легкие и существуют в облаке, вращающимся вокруг ядра. Облако электронов имеет радиус в 10 000 раз больше ядра.

Протоны и нейтроны имеют примерно такую же массу. Однако один протон весит больше чем 1800 электронов. Атомы всегда имеют равное количество протонов и электронов, и количество протонов и нейтронов, как правило, то же самое. Добавление протона к атому создает новый элемент, в то время как добавление нейтрона создает изотоп или более тяжелую версию данного атома.

Ядро

Ядро атома было обнаружено в 1911 году Эрнестом Резерфордом, который в 1920 году предложил имя “протон” для положительно заряженных частиц атома. Резерфорд также предположил, что в ядре есть нейтральная частица, что подтвердил в 1932 году Джеймс Чадвик, британский физик и ученик Резерфорда.

Практически вся масса атома находится в ядре. Протоны и нейтроны, составляющие ядро, примерно одинаковой массы (протон немного меньше) и имеют одинаковый угловой момент.

Ядро удерживается благодаря “сильному взаимодействию” – одной из четырех основных сил в природе.

Эта сила между протонами и нейтронами преодолевает отталкивающую электрическую силу, которая исходя из правил электричества, раздвигала бы протоны.

Некоторые атомные ядра неустойчивы, потому что сила связи изменяется для разных атомов в зависимости от размера ядра. Затем атомы с неустойчивыми ядрами распадаютсяна другие элементы, такие как углерод-14, распадающийся на азот-14.

Протоны

Протоны – это положительно заряженные частицы, находящиеся внутри атомных ядер. Резерфорд обнаружил их в экспериментах с электронно-лучевыми трубами, проведенными между 1911 и 1919 годами. Протоны немного меньше по массе, чем нейтроны.

Число протонов в атоме определяет то, каким элементом он является. Например, атом углерода имеет шесть протонов, атом водорода – один, кислорода – восемь. Число протонов в атоме называется атомным номером этого элемента. Число протонов в атоме также определяет химическое поведение элемента. В периодической таблице Менделеева элементы упорядочены в порядке возрастания атомного номера.

Три кварка составляют каждый протон – два кварка с положительным зарядом и один с отрицательным. Они удерживаются вместе другими субатомными частицами, которые называются глюонами и являются безмассовыми.

Электроны

Электроны совсем крошечные – в 1800 раз меньше – по сравнению с протонами и нейтронами. Дж. Дж. Томсон, британский физик, обнаружил электрон в 1897 году. Электроны имеют отрицательный заряд и электрически притягиваются к положительно заряженным протонам.

Электроны окружают атомное ядро, вращаясь по круговым орбиталям. Данная идея была выдвинута в 1920-х годах австрийским физиком Эрвином Шредингером. Сегодня эта модель известна как квантовая модель или модель электронного облака.

Внутренние орбитали, окружающие атом, являются округлыми, но внешние орбитали гораздо сложнее.

Электронная конфигурация типичного атома представляет собой орбитальное описание расположения электронов. Используя электронную конфигурацию атома и принципы физики, химики могут предсказать свойства атома, такие как стабильность, точку кипения и проводимость. Как правило, в химии имеют значение только внешние электронные оболочки.

Нейтроны

Нейтрон используется в качестве сравнения, чтобы найти относительную массу протонов и электронов.

В 1920 году Резерфорд выдвинул теорию о существовании нейтрона. А в 1932 году Джеймс Чедвик уже обнаружил его. Тонкий лист бериллия был подвергнут бомбардировке атомами. Высвобожденные субатомные частицы без заряда оказались нейтронами.

Нейтроны – это незаряженные частицы, обнаруженные во всех атомных ядрах (за исключением водорода-1). Масса нейтрона намного больше массы протона. Подобно протонам, нейтроны также состоят из кварков – одного с положительным зарядом и двух с отрицательным.

Изотопы

Число нейтронов в ядре определяет изотоп этого элемента. Например, водород имеет три изотопа – протий, дейтерий и тритий. Протий, или 1Н, является обычным водородом – он имеет один протон и один электрон и не имеет нейтронов. Дейтерий (D или 2H) имеет один протон, один электрон и один нейтрон. Тритий (3Н или Т) имеет один протон, один электрон и два нейтрона.

История атома

Теория атома исходит от греческого ученого и философа Демокрита и датируется 440 г. до нашей эры. Скорее всего он построил свою теорию атома на работе прошлых философов.

Например, Парменид, учитель Демокрита, известен тем, что предложил принцип идентичности. Этот принцип гласит, что все вместе образует бытие.

Другие философы, включая Демокрита, продолжили его работу, что привело к созданию теории атома.

Демокрит

Объяснения атома Демокритом начинается с камня. Камень, поделенный пополам, дает две половины одного и того же камня. Если бы камень продолжали делить, то в какой-то момент появился бы кусок камня, настолько маленький, чтобы его нельзя было поделить.

По мнению Демокрита, атом должен быть точкой, в которой любая форма материи больше не могла бы быть разделена.

Его теория включала идеи о том, что атомы существуют отдельно друг от друга, что существует бесконечное количество атомов, способных двигаться и объединятся для создания материи, но не в коем случае не сливаться, создавая новый атом.

Также он утверждал, что атом является неделимым. Однако, поскольку большинство философов того времени, особенно влиятельный Аристотель, считали, что вся материя была создана из земли, воздуха, огня и воды, теория атома Демокрита была надолго отложена в сторону.

Британский химик Джон Дальтон в 1803 году построил свою атомную теорию на идеях Демокрита. Теория Дальтона заключала в себя несколько идей Демокрита – то что атом неделимый и неразрушимый, что разные атомы собираются вместе, чтобы создать материю.

Дополнения Дальтона к теории были в идеях, что все атомы определенного элемента идентичны, что атомы одного элемента имеют другой вес и другие свойства, нежели у атомов других элементов.

Атомы не могут быть созданы и уничтожены и материя образуется атомами, объединяющимися в простые целые числа.

Джон Дальтон

В 1897 году британский физик Дж.Дж. Томсон открыл электрон. Тем самым он доказал, что на самом деле атомы могут быть разделены. Он смог определить существование отрицательно заряженных частиц, изучив свойства электрического разряда в электронно-лучевых трубках.

В статье 1897 года Томсон писал, что лучи были отклонены в трубке, что доказывало то, что в вакуумной трубке есть что-то отрицательно заряженное. В 1899 году он опубликовал описание своей версии атома, широко известной как “пудинговая модель атома“.

Модель атома Томсона включала в себя большое количество электронов, подвешенных в облаке положительного заряда, что обеспечивало электронейтральность атома. Электроны в этой модели располагались так, что напоминали изюм в британском десерте.

Дж.Дж. Томсон

Следующим ученым, который внес изменения и развил атомную модель, был Эрнест Резерфорд, который учился под руководством Томсона.

В 1911 он опубликовал свою версию атома, которая включала положительно заряженное ядро, и отрицательно заряженные электроны вокруг него.

Планетарная модель атома появилась после того, как Резерфорд с помощниками выпустил по тонкой фольге из золота альфа-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, удерживаемых той же электростатической силой, которая связывает ядро любого атома.

Эрнест Резерфорд

Ученые заметили, что небольшой процент альфа-частиц был рассеян под очень большим углом к первоначальному направлению движения.

Резерфорд смог ориентировочно вычислить размер ядра атома золота, обнаружив, что оно в 10 000 раз меньше, чем размер всего атома. При этом большая часть атома является пустым пространством.

Модель атома Резерфорда по-прежнему остается базовой моделью, которая используется сегодня, несмотря на ее ограниченные возможности.

Несколько других ученых в последствии продвигали атомную модель. Нильс Бор продвигал теорию, построенную на модели Резерфорда, включив в нее свойства электронов на основе спектра водорода.

Эрвин Шредингер разработал квантовую модель атома. Вернер Гейзенберг указал, что нельзя узнать одновременно положение и скорость электрона.

А Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг, независимо друг от друга, разработали теорию о том, что протоны и нейтроны состоят из кварков.

Эрвин Шредингер

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5ae194d5bcf1bc97d58f4283/5b0274c91410c3e49332f489

Атомы и молекулы

Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом

Атомы — это маленькие частицы, из которых состоит вещество. Невозможно даже представить себе, насколько они малы. Если сложить в цепочку сто миллионов атомов, у нас получится ниточка длиной всего лишь в 1 см. В тонком листе бумаги, наверное, не меньше миллиона слоев атомов. Науке известно более ста видов атомов; соединяясь друг с другом, они образуют все окружающие нас вещества.

Представление об атомах

Мысль о том, что всё в природе состоит из атомов, возникла давно. Еще 2500 лет назад древнегреческие философы полага­ли, что вещество состоит из таких частиц, которые нельзя разделить.

Само слово «атом» восходит к греческому слову «атомос», что значит «неделимый». В Древней Греции (см. статью «Загадочные жители Греции«) философы обсуждали гипотезу о том, что всё вещество в мире состоит из неделимых частиц.

Правда, Аристотель в этом сомневался.

Термин «атом» был впервые использован английским химиком Джоном Даль­тоном (1766- 1844). В 1807 г. Дальтон выдвинул свою атомную теорию.

Атомами он назвал составляющие всякое вещество малые частицы, которые не изменяются входе химических реакций.

Согласно Дальтону, химическая реакция — это процесс, при котором атомы соединяются вместе или отделяются друг от друга. Атомная теория Дальтона лежит в основе представлений современных ученых.

В начале нашего столетия ученые начали строить модели атомов. Эрнест Резерфорд (1871 — 1937) показал, что  отрицательно заряженные электроны обращаются вокруг положительно заряженного ядра.

Нильс Бор (1885 — 1962) утверждал, что электроны обращаются по определенным орбитам. В 1932 г.

Джеймс Чедвик (1891 — 1974) установил, что ядро атома состоит из частиц, которые он назвал протонами и нейтронами.

Структура атома

Атомы состоят из еще меньших, чем они сами, частиц, называемых элементарными. Центром атома является его ядро. Оно состоит из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов. Есть в атоме также другие элементарные    частицы — электроны; они вращаются вокруг ядра.  Существует множество разных элементарных частиц.

Ученые считают, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Элементарные частицы, входящие в состав атома, удерживают­ся вместе благодаря своим электрическим зарядам. Протоны заряжены  положительно,  а электроны — отрицательно. Нейтроны заряда не имеют, т.е. являются электрически нейтральными.

Частицы, несущие противоположные электрические заряды, притягиваются друг к другу. Притяжение отрицательно заряженных электронов к положительно заряженным протонам, находящимся в атомном ядре, удерживает электроны на орбитах около этого ядра.

В состав атома входит одинаковое число положительно заряженных протонов и отрицательно заряженных электронов, и атом электрически нейтрален.
Электроны в атоме находятся на разных энергетических уровнях, или оболочках. Каждая оболочка состоит из определенно­го числа электронов. Когда очередная оболочка заполняется, новые электроны попа­дают на следующую оболочку.

Большую часть объема атома занимает пустое пространство между элементарными частицами. Отрицательно заряженные электроны удерживаются на своих энергетических уровнях силой притяжения к положительно заряженным протонам ядра.

Строение атома часто описывают строгой диаграммой, однако сегодня ученые полагают, что электроны существуют на своих орбитах в размытом состоянии.

Это представление отражено на рисунке, где электронные орбиты представлены в виде «облаков». Так вы бы увидели молекулу под электронным микроскопом. Равными цветами показаны разные уровни плотности электронов.

Бирюзовым цветом отмечена область наибольшей плотности.

Атомный номер и атомная масса

Атомный номер — это число протонов в атомном ядре. Как правило, в состав атома входит одинаковое число протонов и электронов, поэтому по атомному номеру можно судить и о том, сколько в атоме электронов.

В разных атомах содержится разное количество протонов. В ядре атома фосфора 15 протонов и 16 нейтронов, значит, его атомный номер 15.

В ядре атома золота 79 протонов и 118 нейтронов: следовательно, атомный номер золота 79.

Чем больше протонов и нейтронов имеет атом, тем больше его масса (величина, показывающая количество вещества в составе атома). Сумму числа протонов и числа ней­тронов мы называем атомной массой. Атомная масса фосфора — 31.

При исчислении атомной массы электроны в расчет не принимаются, так как  их масса ничтожно мала по сравнению с массой атома. Существует особый прибор — масс-спектрометр.

Он позволяет определить для каждого данного атома его массу.

Изотопы

У большинства элементов существуют изотопы, атомы которых имеют несколько отличное строение. Количество протонов и электронов в атомах изотопов одного элемента всегда неизменно. Атомы изотопов различаются числом нейтронов в ядре.

Следовательно, у всех изотопов одного элемента один и тот же атомный номер, но разная атомная масса. На этом рисунке вы видите три изотопа углерода. У изотопа С12 есть 6 нейтронов и 6 протонов. С13 имеет 7 нейтронов.

В ядре изотопа С12 восемь нейтронов и 6 протонов.

Физические свойства изотопов различны,  но они обладают одинаковыми химическими свойствами. Обычно большая часть атомов элемента (вещества, состоящего из атомов одного вида) принадлежит к одному изотопу, а другие изотопы встречаются в меньших количествах.

Молекулы

Атомы редко встречаются и свободном состоянии. Как правило, они связываются друг с другом и образуют молекулы либо другие, более массивные структуры. Молекула — это мельчайшая частица вещества, которая может существовать самостоятельно.

Она состоит из атомов, удерживающихся вместе при помощи связей. Например, у молекулы воды два атома водорода связанны с атомом кислорода. Атомы удерживаются вместе благодаря электрическим зарядам частиц, из которых они состоят.

Описывая строение молекул, ученые прибегают к помощи моделей. Как правило, они пользуются структурными и пространственными моделями. Структурные модели представляют связи, удерживающие атомы вместе, в виде палочек. В пространственных моделях атомы плотно соединены друг с другом.

Конечно, модель не похожа на настоящую молекулу. Модели строятся для того, что­бы показать, из каких атомов та или иная молекула состоит.

Химические формулы

Химическая формула вещества показывает, сколько атомов каких элементов входит в состав одной молекулы. Каждый атом обозначается символом.

Как правило, в качестве символа выбирается первая буква английского, латинского или арабского названия элемента.

Например, молекула углекислою газа состоит из двух атомов кислорода и одного атома углерода, поэтому формула угле­кислого газа СО2. Двойка Атомы обозначает число атомов кислорода в молекуле.

Этот опыт продемонстрирует вам, что молекулы вещества удерживают­ся вместе силами притяжения. На­полните стакан водой до краев. Осторожно опустите в стакан несколько монет.

Вы увидите, что над краями стакана приподнялся водяной купол. Сила, притягивающая молекулы воды друг к другу, может удержать некоторое количество воды над краями стакана.

Эта сила называется силой поверхностного натяжения.

Источник: https://www.polnaja-jenciklopedija.ru/nauka-i-tehnika/atomy-i-molekuly.html

Строение атома. Атом – сложная частица

Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом
Понятие «атом» пришло к нам из далекой античности, но совершенно изменило тот первоначальный смысл, который вкладывали в него древние греки (в переводе с греческого «атом» означает «неделимый»).

Этимология названия «неделимый» отражает сущность атома с точностью до наоборот. Атом делим и состоит из элементарных частиц.

урок по теме “Строение атома”

Презентация по теме “Атом сложная частица”

Сложность строения атома доказана фундаментальными открытиями, сделанными в конце XIX и начале XX в. в результате изучения природы катодных лучей (Дж. Томсон, 1897 г.), открытия явления фотоэффекта (А. Г. Столетов, 1889 г.), открытия радиоактивности химических элементов (А. Беккерель, М. Склодовская-Кюри, 1896—1899 гг.), определения природы а-частиц (эксперименты Э. Резерфорда, 1889—1900 гг.).Ученые пришли к заключению, что атомы обладают собственной структурой, имеют сложное строение.Как же развивалась классическая теория строения атома?

Гипотеза Дж. Томсона о структуре атома — первая попытка объединить имевшиеся научные данные о сложном составе атома в «модель» атома.

В 1904 г. в работе «О структуре атома» Дж. Томсон дал описание своей модели, получившей образное название «сливового пудинга». В этой модели атом уподоблен сферической капле пудинга с положительным зарядом. Внутрь сферы вкраплены отрицательно заряженные «сливины»-электроны. Электроны совершают колебательные движения, благодаря которым атом излучает электромагнитную энергию. Атом в целом нейтрален.
Модель атома Дж. Томсона не была подтверждена экспериментальными фактами и осталась гипотезой. Представления о составе атома и движении электронов в нем вошли в модель атома Э.Резерфорда.

Планетарная модель атома Э. Резерфорда (1911 г.), согласно которой атом состоит из положительно заряженного ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по замкнутым орбитам подобно движению планет вокруг Солнца. Э. Резерфорд — основоположник современного учения об атоме — построил наглядную теоретическую модель атома, которой формально мы пользуемся и сейчас.

Классическая теория Резерфорда не могла объяснить излучение и поглощение энергии атомом.

Квантовые постулаты Н. Бора (1913 г.) внесли в планетарную модель атома Э. Резерфорда квантовые представления. Постулаты Н. Бора опирались на теоретические идеи М. Планка (1900 г.) и А. Эйнштейна (1905 г.).

  • Первый постулат. Электрон вращается вокруг ядра по строго определенным замкнутым стационарным орбитам в соответствии с «разрешенными» значениями энергии Ех, Е2, …, Еn, при этом энергия не поглощается и не излучается.
  • Второй постулат. Электрон переходит из одного «разрешенного» энергетического состояния в другое, что сопровождается излучением или поглощением кванта энергии.

Бор внес квантовые представления в строение атома, но он использовал традиционные классические понятия механики, рассматривая электрон как частицу, движущуюся со строго определенными скоростями по строго определенным траекториям.

Его теория была построена на противоречиях. В 1932 г. была разработана протонно-нейтронная теория ядра, согласно которой ядра атомов состоят из протонов (11р) и нейтронов (01n).

Атом — электронейтральная система взаимодействующих элементарных частиц, состоящая из ядра (образованного протонами и нейтронами) и электронов.
Электроны, протоны и нейтроны называют элементарными частицами.

Каковы же свойства этих частиц?

Корпускулярно-волновые свойства микромира. Элементарные частицы, а также построенные из них атомные ядра, атомы и молекулы имеют ничтожно малые массы и размеры и поэтому обладают своими особыми свойствами не похожими на те, которые имеют объекты окружающего нас макромира. Они образуют свой, специфический мир — микромир, который живет по особым законам, диктуемым квантовой механикой — наукой о строении и свойствах элементарных частиц, ядер, атомов и молекул, об их превращениях и явлениях, сопровождающих эти превращения. Квантовая механика характеризует частицы микромира как объекты с двойственной природой — корпускулярно-волновым дуализмом, они являются одновременно и частицами (корпускулами), и волнами.Корпускулярно-волновой дуализм объектов микромира подтвержден и экспериментально знакомыми вам из курса физики интерференцией и дифракцией электронов, протонов, нейтронов, атомов и т. д.Электрон — частица, определяющая наиболее характерные химические свойства атомов и молекул. Двойственная природа электрона может быть подтверждена на опыте. Если электроны, испускаемые источником, например катодом, пропускать через маленькие отверстия в пластинке, поставленной на их пути, то они, попадая на фотопластинку, вызывают ее почернение. После проявления фотопластинки на ней можно увидеть совокупность чередующихся светлых и темных колец, то есть дифракционную картину (рис. 1).Рис. 1. Электронограммы газов (слева) и кристаллов (справа). Центральное пятно обусловлено нерассеянным пучком электронов, а кольца — электронами, рассеянными под разными углами

Дифракционная картина включает в себя как собственно дифракцию — огибание волной препятствия, так и интерференцию, то есть наложение волн друг на друга.

Эти явления доказывают наличие у электрона волновых свойств, так как только волны способны огибать препятствия и налагаться друг на друга в местах их встречи.

Однако, попадая на фотослой, электрон дает почернение лишь в одном месте, что свидетельствует о наличии у него корпускулярных свойств. Будь он только волной, он более или менее равномерно засвечивал бы всю пластинку.

Вследствие дифракции электрон, пройдя отверстие, может в принципе попасть в любую точку фотопластинки, но с разной вероятностью, то есть можно говорить о вероятности обнаружения электрона в той или иной области фотослоя, а в общем случае — в той или иной области пространства. Поэтому движение электрона и в атоме нельзя рассматривать как движение точечного заряда по строго определенной замкнутой траектории.

Источники:

1. http://school.xvatit.com/index.php?title=%D0%90%D1%82%D0%BE%D0%BC_%E2%80%94_%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B6%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D1%87%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D1%86%D0%B0 “,”author”:”Автор: Носова Е.Ю.”,”date_published”:”2020-02-17T21:20:00.000Z”,”lead_image_url”:”http://4.bp.blogspot.com/-7owUi9aqmfU/UiTPjWwnnkI/AAAAAAAACOc/zwf6ZzJWmOY/w1200-h630-p-k-no-nu/%D1%81%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5+%D0%B0%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%B0.jpg”,”dek”:null,”next_page_url”:”http://alximiki.blogspot.com/p/11.html”,”url”:”http://alximiki.blogspot.com/2013/09/blog-post.html”,”domain”:”alximiki.blogspot.com”,”excerpt”:”Понятие «атом» пришло к нам из далекой античности, но совершенно изменило тот первоначальный смысл, который вкладывали в него древние гре…”,”word_count”:779,”direction”:”ltr”,”total_pages”:2,”pages_rendered”:2}

Источник: http://alximiki.blogspot.com/2013/09/blog-post.html

Откуда мы знаем, что все состоит из атомов?

Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом

Горы, звезды, люди — все, что мы видим вокруг, состоит из крошечных атомов. Атомы маленькие. Очень и очень. С детства мы знаем, что все вещество состоит из скоплений этих крошечных штучек. Также мы знаем, что их нельзя увидеть невооруженным глазом.

Мы вынуждены слепо верить этим заявлениям, не имея возможности проверить. Атомы взаимодействуют друг с другом и по кирпичикам составляют наш мир. Откуда мы это знаем? Многие не любят принимать утверждения ученых за чистую монету.

Давайте вместе с наукой пройдем путь от осознания атомов до непосредственного доказательства их существования.

Может показаться, что есть простой способ доказать существование атомов: засунуть их под микроскоп. Но этот подход не сработает. Даже самые мощные микроскопы, фокусирующие свет, не могут визуализировать один атом. Объект становится видимым, поскольку отражает световые волны.

Атомы настолько меньше длины волны видимого света, что они вовсе не взаимодействуют. Иными словами, атомы невидимы даже для света. Однако атомы все же оказывают наблюдаемые эффекты на некоторые вещи, которые мы можем увидеть.

Сотни лет назад, в 1785 году, голландский ученый Ян Ингенхауж изучал странное явление, которое не мог понять.

Мельчайшие частицы угольной пыли шныряли на поверхности какого-то спирта в его лаборатории.

50 лет спустя, в 1827 году, шотландский ботаник Роберт Броун описал нечто удивительно похожее. Изучая пыльцевые гранулы под микроскопом, Броун обнаружил, что некоторые гранулы испускают крошечные частицы — которые затем удалялись от пыльцы в случайном нервном танце.

Сначала Броун подумал, что частицы были каким-то неизвестным организмом. Он повторил эксперимент с другими субстанциями, вроде каменной пыли, которая явно была неживой, и снова увидел странное движение.

Потребовалось почти сто лет, чтобы наука нашла объяснение.

Пришел Эйнштейн и разработал математическую формулу, которая предсказывала тот самый особенный тип движения — тогда названный броуновским движением, в честь Роберта Броуна.

Теория Эйнштейна заключалась в том, что частицы пыльцевых гранул постоянно перемещались, поскольку в них врезались миллионы крошечных молекул воды — молекул, состоящих из атомов.

«Он объяснил, что это нервное движение, которое вы наблюдаете, на самом деле вызывалось воздействием отдельных молекул воды на частички пыли или что там у вас есть», — объясняет Гарри Клифф из Кембриджского университета, также куратор Музея науки в Лондоне.

К 1908 году наблюдения, подкрепленные расчетами, показали, что атомы реальны. За десять лет физики существенно продвинулись вперед. Растягивая отдельные атомы, они начали понимать их внутреннюю структуру.

Сюрпризом стало то, что атомы можно разделить — особенно в свете того, что само название «атом» вышло из греческого «атомос», означающего «неделимый». Но физики теперь знают, что атомы далеко не базовые кирпичи. Они состоят из трех основных частей: протонов, нейтронов и электронов. Представьте, что протоны и нейтроны вместе образуют «солнце», или ядро, в центре системы.

Электроны находятся на орбите этого ядра, подобно планетам.

Если атомы невообразимо малы, то эти субатомные частицы и вовсе. Забавно, но первой обнаружили самую малую частицу из трех — электрон. Чтобы понять разницу размеров, имейте в виду, что протоны в ядре в 1830 раз больше электрона.

Представьте себе чупа-чупс на орбите воздушного шара — несоответствие будет примерно таким.

Но как мы узнали, что эти частицы там? Ответ в том, что они хоть и маленькие, но имеют большое влияние. Британский физик Томсон, открывший электроны, использовал прекрасный метод, чтобы доказать их существование в 1897 году.

У него была трубка Крукса — кусок стекла смешной формы, из которого машиной был высосан почти весь воздух. К одному концу трубки подводили отрицательный электрический заряд.

Этого заряда было достаточно, чтобы выбить у молекул оставшегося в трубке газа часть электронов. Электроны заряжены отрицательно, поэтому летели к другому концу трубки.

Благодаря частичному вакууму, электроны пролетали через трубку, не встречая на своем пути крупные атомы.

Электрический заряд приводил к тому, что электроны двигались очень быстро — порядка 59 500 километров в секунду — пока не врезались в стекло на дальнем конце, выбивая еще больше электронов, которые прятались в его атомах. Удивительно, но столкновение между этими умопомрачительно крошечными частицами производило столько энергии, что порождало фантастическое зелено-желтое свечение.

«Это был в некотором смысле один из первых ускорителей частиц, — говорит Клифф. — Он ускоряет электроны на одном конце трубки к другому, и они врезаются в экран на другом конце, производя фосфоресцирующее свечение».

Поскольку Томсон обнаружил, что может управлять пучками электронов с помощью магнитов и электрических полей, он знал, что это были не просто странные лучи света, — это были заряженные частицы.

И если вам интересно, как эти электроны могут летать независимо от своих атомов, то это благодаря процессу ионизации, в котором — в данном случае — электрический заряд меняет структуру атома, выбивая электроны в пространство поблизости.

В частности, благодаря тому что электронами так просто манипулировать и двигать, стали возможны электрические схемы. Электроны в медном проводе движутся подобно поезду от одного атома меди к другому — потому-то провод передается по проводу.

Атомы, как мы уже сказали, это не цельные кусочки вещества, а системы, которые можно модифицировать или разобрать на структурные элементы.

Открытие электрона показало, что нужно узнать об атомах побольше. Работа Томсона показала, что электроны отрицательно заряжены — но он знал, что атомы сами по себе не имеют общего заряда.

Он предположил, что они должны содержать загадочные положительно заряженные частицы, чтобы компенсировать отрицательно заряженные электроны.

Эксперименты начала 20 века выявили эти положительно заряженные частицы и в то же время раскрыли внутреннюю структуру атома — похожую на солнечную систему.

Эрнест Резерфорд и его коллеги взяли очень тонкую металлическую фольгу и поставили ее под луч положительно заряженного излучения — поток крошечных частиц. Большая часть мощного излучения прошла насквозь, как и полагал Резерфорд, учитывая толщину фольги. Но, к удивлению ученых, часть его отскочила.

Резерфорд предположил, что атомы в металлической фольге должны содержать небольшие плотные области с положительным зарядом — ничто иное не обладало бы достаточным потенциалом, чтобы отразить такое мощное излучение. Он обнаружил положительные заряды в атоме — и одновременное доказал, что все они связаны в плотной массе, в отличие от электронов. Другими словами, он продемонстрировал существование плотного ядра в атоме.

Оставалась проблема. К тому моменту уже могли рассчитать массу атома. Но учитывая данные о том, какими тяжелыми должны были быть частицы ядра, идея того, что все они положительно заряжены, не имела смысла.

«Углерод имеет шесть электронов и шесть протонов в ядре — шесть положительных зарядов и шесть отрицательных зарядов, — объясняет Клифф. — Но ядро углерода не весит шесть протонов, оно весит эквиваленту 12 протонов».

Сначала предположили, что в ядре есть шесть других ядерных частиц с массой протона, но заряженных отрицательно: нейтроны. Но никто не смог это доказать. На самом деле, нейтроны не могли найти до 1930-х годов.

Кембриджский физик Джеймс Чедвик отчаянно пытался открыть нейтрон. Он работал над этой теорией много лет. В 1932 году ему удалось осуществить прорыв.

За несколько лет до этого другие физики экспериментировали с радиацией. Они запускали положительно заряженное излучение — того типа, который использовал Резерфорд в поисках ядра — в атомы бериллия. Бериллий испускал собственную радиацию: излучение, которое не было заряжено положительно или отрицательно и могло проникать глубоко в материал.

К этому времени другие выяснили, что гамма-излучение было нейтральным и проникало глубоко, поэтому физики считали, что именно его испускают атомы бериллия. Но Чедвик так не считал.

Он самостоятельно произвел новое излучения и направил его на вещество, которое, как он знал, было богатым на протоны. Неожиданно оказалось, что протоны были выбиты из материала словно бы частицами с идентичной массой — будто шарики для бильярда другими шариками.

Гамма-излучение не может отражать протоны таким образом, поэтому Чедвик решил, что искомые частицы должны иметь массу протона, но другой электрический заряд: и это нейтроны.

Все основные частицы атома были найдены, но на этом история не заканчивается.

Хотя мы узнали об атомах много больше, чем знали раньше, их было трудно визуализировать. В 1930-х годах никто не располагал их снимками — и многие люди хотели их увидеть, чтобы принять их существование.

Важно отметить, впрочем, что методы, используемые учеными вроде Томсона, Резерфорда и Чедвика, проложили путь к новому оборудованию, которое в конце концов помогло нам произвести эти снимки. Пучки электронов, которые Томсон генерировал в своем эксперименте с трубкой Крукса, оказались особенно полезными.

Сегодня подобные пучки генерируются электронными микроскопами, и самый мощный из таких микроскопов может на самом деле делать снимки отдельных атомов. Это потому, что электронный пучок обладает длиной волны в тысячи раз короче пучка света — настолько короткой, по сути, что волны электронов могут отражаться от крошечных атомов и выдавать картинку, чего не могут световые пучки.

Нил Скиппер из Университетского колледжа в Лондоне говорит, что такие изображения полезны для людей, которые хотят изучать атомную структуру специальных веществ — вроде тех, что используются в производстве батарей для электромобилей, к примеру. Чем больше мы знаем об их атомной структуре, тем лучше нам удается проектировать батареи, делать их эффективными и надежными.

Можно также понять, как выглядят атомы, просто тыкнув в них. Так, по сути, работает атомно-силовая микроскопия.

Идея в том, чтобы поднести кончик чрезвычайно малого зонда к поверхности молекулы или вещества.

При достаточной близости зонд будет чувствителен к химической структуре того, на что указывает, и изменение сопротивления по мере движения зонда позволит ученым произвести снимки, к примеру, отдельной молекулы.

Недавно ученые опубликовали прекрасные снимки молекулы до и после химической реакции с помощью этого метода.

Скиппер добавляет, что многие атомные ученые исследуют, как структура вещей меняется при воздействии высокого давления или температуры. Большинство людей знает, что когда вещество нагревается, оно часто расширяется. Теперь можно обнаружить атомные изменения, которые происходят при этом, что зачастую оказывается полезным.

«При нагревании жидкости можно заметить, как ее атомы принимают неупорядоченную конфигурацию, — говорит Скиппер. — Вы можете увидеть это непосредственно из структурной карты».

Скиппер и другие физики также могут работать с атомами, используя нейтронные пучки, впервые обнаруженые Чедвиком в 1930-х.

«Мы запускаем много пучков нейтронов в образцы материалов, и из возникающего паттерна рассеяния можно понять, что вы рассеиваете нейтроны в ядрах, — говорит он. — Можно грубо прикинуть массу и размер объекта, который просвечивался».

Но атомы не всегда просто находятся там, в стабильном состоянии, ожидая, пока их изучат. Иногда они распадаются — то есть являются радиоактивными.

Существует множество естественных радиоактивных элементов. Этот процесс генерирует энергию, которая легла в основу ядерной энергетики — и ядерных бомб. Физики-ядерщики, как правило, пытаются лучше понять реакции, при которых ядро проходит через фундаментальные изменения вроде этих.

Лаура Харкнесс-Бреннан из Ливерпульского университета специализируется на изучении гамма-лучей — типа излучения, испускаемого распадающимися атомами. Радиоактивный атом определенного типа испускает особую форму гамма-луча.

Это значит, вы можете идентифицировать атомы, только регистрируя энергию гамма-лучей — этим, собственно, Харкнесс-Бреннан и занимается в своей лаборатории.

«Типы детекторов, которые вы должны использовать, представлены детекторами, которые позволят вам измерять одновременно присутствие излучения и энергии радиации, которая была отложена, — говорит она. — Все потому, что у всех ядер есть особый отпечаток».

Поскольку в области, где была обнаружена радиация, могут присутствовать все типы атомов, особенно после крупной ядерной реакции, важно точно знать, какие радиоактивные изотопы присутствуют. Такое обнаружение обычно проводится на ядерных станциях или в зонах, где произошла ядерная катастрофа.

Харкнесс-Бреннан и ее коллеги сейчас работают над системами обнаружения, которые можно разместить в таких местах, чтобы показать в трех измерениях, где может присутствовать радиация в конкретном помещении. «Вам нужны техники и инструменты, которые позволят составить трехмерную карту пространства и подскажут, где в этой комнате, в этой трубе радиация», — говорит она.

Также можно визуализировать излучение в «камере Вильсона». В рамках этого специального эксперимента охлажденный до -40 градусов по Цельсию спиртовый пар распыляется облаком над радиоактивным источником.

Заряженные частицы радиации, летящие от источника излучения, выбивают электроны из молекул спирта. Спирт конденсируется в жидкость рядом с дорожкой излучаемых частиц.

Результаты такого типа обнаружения впечатляют.

Мы мало работали непосредственно с атомами — разве что поняли, что это прекрасные сложные структуры, которые могут претерпевать удивительные изменения, многие из которых происходят в природе.

Изучая атомы таким образом, мы улучшаем собственные технологии, извлекаем энергию из ядерных реакций и лучше понимаем природный мир вокруг нас.

Мы также получили возможность защищать себя от радиации и изучать, как меняются вещества в экстремальных условиях.

«Учитывая, насколько мал атом, просто невероятно, как много физики мы можем извлечь из него», — метко подмечает Харкнесс-Бреннан. Все, что мы видим вокруг себя, состоит из этих мельчайших частиц. И хорошо знать, что они там есть, поскольку именно благодаря им все вокруг стало возможным.

По материалам BBC

Источник: https://Hi-News.ru/research-development/otkuda-my-znaem-chto-vse-sostoit-iz-atomov.html

Атом – Химия

Атом происхождение слова. Из каких элементарных частиц состоит атом
А́том (от др.-греч. ἄτομος — неделимый) — частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств.

Атом состоит из атомного ядра и электронов.

Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом.

В некоторых случаях под атомами понимают только электронейтральные системы, в которых заряд ядра равен суммарному заряду электронов, тем самым противопоставляя их электрически заряженным ионам.

Ядро, несущее почти всю (более чем 99,9 %) массу атома, состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, связанных между собой при помощи сильного взаимодействия.

Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: число протонов Z соответствует порядковому номеру атома в периодической системе и определяет его принадлежность к некоторому химическому элементу, а число нейтронов N — определённому изотопу этого элемента.

Число Z также определяет суммарный положительный электрический заряд (Ze) атомного ядра и число электронов в нейтральном атоме, задающее его размер.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Свойства атома

По определению, любые два атома с одним и тем же числом протонов в их ядрах относятся к одному химическому элементу. Атомы с одним и тем же количеством протонов, но разным количеством нейтронов называют изотопами данного элемента.

Например, атомы водорода всегда содержат один протон, но существуют изотопы без нейтронов (водород-1, иногда также называемый протием — наиболее распространённая форма), с одним нейтроном (дейтерий) и двумя нейтронами (тритий).

Известные элементы составляют непрерывный натуральный ряд по числу протонов в ядре, начиная с атома водорода с одним протоном и заканчивая атомом унуноктия, в ядре которого 118 протонов. Все изотопы элементов периодической системы, начиная с номера 83 (висмут), радиоактивны.

Масса

Поскольку наибольший вклад в массу атома вносят протоны и нейтроны, суммарное число этих частиц называют массовым числом. Массу покоя атома часто выражают в атомных единицах массы (а. е. м.), которая также называется дальтоном (Да).

Эта единица определяется как 1⁄12 часть массы покоя нейтрального атома углерода-12, которая приблизительно равна 1,66·10−24 г. Водород-1 — наилегчайший изотоп водорода и атом с наименьшей массой, имеет атомный вес около 1,007825 а. е. м.

Масса атома приблизительно равна произведению массового числа на атомную единицу массы Самый тяжёлый стабильный изотоп — свинец-208 с массой 207,9766521 а. е. м.

Так как массы даже самых тяжёлых атомов в обычных единицах (например, в граммах) очень малы, то в химии для измерения этих масс используют моли.

В одном моле любого вещества по определению содержится одно и то же число атомов (примерно 6,022·1023). Это число (число Авогадро) выбрано таким образом, что если масса элемента равна 1 а. е. м.

, то моль атомов этого элемента будет иметь массу 1 г. Например, углерод имеет массу 12 а. е. м., поэтому 1 моль углерода весит 12 г.

Размер

Атомы не имеют отчётливо выраженной внешней границы, поэтому их размеры определяются по расстоянию между ядрами соседних атомов, которые образовали химическую связь (Ковалентный радиус) или по расстоянию до самой дальней из стабильных орбит электронов в электронной оболочке этого атома (Радиус атома).

Радиус зависит от положения атома в периодической системе, вида химической связи, числа ближайших атомов (координационного числа) и квантово-механического свойства, известного как спин.

В периодической системе элементов размер атома увеличивается при движении сверху вниз по столбцу и уменьшается при движении по строке слева направо. Соответственно, самый маленький атом — это атом гелия, имеющий радиус 32 пм, а самый большой — атом цезия (225 пм).

Эти размеры в тысячи раз меньше длины волны видимого света (400—700 нм), поэтому атомы нельзя увидеть в оптический микроскоп. Однако отдельные атомы можно наблюдать с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Малость атомов демонстрируют следующие примеры. Человеческий волос по толщине в миллион раз больше атома углерода.

Одна капля воды содержит 2 секстиллиона (2·1021) атомов кислорода, и в два раза больше атомов водорода. Один карат алмаза с массой 0,2 г состоит из 10 секстиллионов атомов углерода.

Если бы яблоко можно было увеличить до размеров Земли, то атомы достигли бы исходных размеров яблока.

Учёные из Харьковского физико-технического института представили первые в истории науки снимки атома. Для получения снимков учёные использовали электронный микроскоп, фиксирующий излучения и поля (field-emission electron microscope, FEEM).

Физики последовательно разместили десятки атомов углерода в вакуумной камере и пропустили через них электрический разряд в 425 вольт.

Излучение последнего атома в цепочке на фосфорный экран позволило получить изображение облака электронов вокруг ядра.

Источник: https://www.sites.google.com/site/helpchemistry78/osnovnye-ponatia/atom

Мед-Центр Здоровье
Добавить комментарий