Що таке атом і чому він такий важливий?

Уявімо нейтральний атом водню. Він має один електрон. Якщо надати достатньо енергії й відокремити цей електрон, чи зникне водень? Чи стане він іншим хімічним елементом? Таке запитання важливе для зір: у їхній гарячій речовині багато електронів уже не зв’язані з окремими ядрами.

Атом має маленьке позитивно заряджене ядро та електрони, пов’язані з ним електричною взаємодією. Елемент визначає число протонів у ядрі. Втрата електрона змінює заряд, але не це число: залишається іон водню. Щоб розібратися, що відбувається з речовиною на Землі й у зорях, треба окремо стежити за протонами, нейтронами та електронами. OpenStax: будова атома й заряд.

Маленьке ядро містить майже всю масу

У ядрі містяться протони з позитивним зарядом і, у більшості різновидів атомів, нейтрони без сумарного електричного заряду. Виняток, який одразу варто запам’ятати: ядро водню-1 — один протон, без нейтронів. Нейтральний водень-1 має ще один електрон.

Електрон має негативний заряд, за величиною рівний позитивному заряду протона. Протон і нейтрон близькі за масою, а електрон набагато легший. Тому майже вся маса атома зосереджена в ядрі, хоча електронна частина займає значно більшу область простору. Це не тверда кулька з оболонкою: до того, як описують електрони, ще повернемося. DOE: ядра.

У нейтральному атомі протонів та електронів порівну. Їхні заряди компенсуються в сумі; самі заряджені частинки при цьому нікуди не зникають. Нейтрон не додає ані позитивного, ані негативного заряду.

Відгалуження · ГлибшеНеобов’язково · можна пропустити

Чому позитивні протони не розлітаються

Однойменно заряджені протони електрично відштовхуються. У ядрах із кількома протонами цьому протистоїть сильна ядерна взаємодія, яка зв’язує протони й нейтрони на дуже малих відстанях. Вона короткодіюча: не утримує електрони довкола ядра замість електричного притягання. OpenStax: сили в ядрі.

Нейтрони беруть участь у ядерному зв’язуванні, не додаючи електричного відштовхування. Проте правило «додай більше нейтронів — отримаєш стійкіше ядро» не працює: стійкість залежить від складу ядра, а деякі ізотопи радіоактивні. Наші лічильники нижче допомагають назвати частинку, але самі собою не передбачають її стійкості. DOE: ізотопи.

Елемент, ізотоп та іон відповідають на різні запитання

Спочатку порахуймо протони. Один протон означає водень, два — гелій, шість — вуглець. Це число називають атомним номером. Водень лишається воднем, коли входить до складу води або втрачає електрон: у його ядрі все ще один протон. Зміна числа протонів означає зміну елемента.

Тепер порівняймо ядра з однаковим числом протонів, але різним числом нейтронів. Це ізотопи одного елемента. У водню-1 нейтронів немає, у водню-2 є один. Водень-2 також називають дейтерієм. Обидва належать до водню, але мають різний склад ядра й різну масу. Число після назви — сума протонів і нейтронів, або масове число. DOE: що визначає ізотоп.

Нарешті, зіставмо електрони з протонами. Якщо атом втратив електрон, позитивні заряди вже не повністю компенсуються: утворюється позитивний іон. Приєднання додаткового електрона може дати негативний іон. Елемент та ізотоп при цьому не змінюються, бо склад ядра лишається тим самим. Іони бувають і молекулярними; тут розглядаємо лише іони окремих атомів.

На схемі всі три нижні приклади порівнюються з одним базовим атомом дейтерію зверху. У кожному змінене лише одне число. Зверніть увагу: збільшення числа протонів за незмінного числа електронів змінює і елемент, і заряд.

Змініть подумки одне число

Кожний із трьох нижніх прикладів порівнюємо з нейтральним воднем-2 зверху.

Початковий приклад

Водень-2 · дейтерій

Протони: 1
Нейтрони: 1
Електрони: 1
Масове число A: 2
Заряд q/e: 0

Нейтральний атом: один позитивний і один негативний заряд.

На один нейтрон менше

Водень-1

Протони: 1
Нейтрони: 0
Електрони: 1
Масове число A: 1
Заряд q/e: 0

Той самий елемент, інший ізотоп. Заряд не змінився.

На один протон більше

Іон гелію-3

Протони: 2
Нейтрони: 1
Електрони: 1
Масове число A: 3
Заряд q/e: +1

Інший елемент. За незмінного числа електронів заряд теж став +1.

На один електрон менше

Іон водню-2

Протони: 1
Нейтрони: 1
Електрони: 0
Масове число A: 2
Заряд q/e: +1

Той самий елемент та ізотоп. Заряд став +1.

Лічильна схема, а не вигляд атома. Жетони позначають кількість частинок; їхні положення, розміри й відстані умовні. Порівняння не є рецептом ядерної реакції. Заряд подано в одиницях додатного елементарного заряду e. Склад ядер і правила лічби: OpenStax, §2.3.

Відгалуження · З формуламиНеобов’язково · можна пропустити

Як прочитати три числа без здогадок

Позначимо число протонів через $Z$ , нейтронів — через $N$ , електронів — через $N_e$ . Тоді масове число $A$ рахує частинки ядра:

A=Z+N.

Нехай $e$ — додатний елементарний заряд. Сумарний заряд $q$ визначається різницею лічильників:

\frac{q}{e}=Z-N_e.

Числа $Z$ , $N$ , $N_e$ та $A$ безрозмірні. Величина $q/e$ теж безрозмірна: запис $+1$ означає заряд $+e$ , а не один кулон.

Для зображеного іона гелію-3:

\begin{aligned} Z&=2,\\ N&=1,\\ N_e&=1. \end{aligned}

Отже:

\begin{aligned} A&=2+1=3,\\ q/e&=2-1=+1. \end{aligned}

Для нейтрального гелію-3 електронів було б два, тому заряд дорівнював би нулю, а $A$ лишилося б 3. Масове число — лічба, а не точна маса атома: воно не враховує різницю мас протона й нейтрона, електрони та енергію зв’язку. OpenStax: масове число й атомна маса.

Електронна хмара не є намальованою орбітою

На поширених символах атома електрони намальовані на колах або еліпсах. Так легко показати «щось навколо центра», але атом не є маленькою класичною Сонячною системою. У сучасному квантовому описі електрон не має заданої планетної траєкторії довкола ядра.

Атомна орбіталь — просторовий квантовий опис стану електрона, з якого визначають імовірність виявити електрон у певній ділянці. Малюнок «електронної хмари» передає цей імовірнісний розподіл. Темніша ділянка може означати вищу густину ймовірності, якщо саме так обрано шкалу рисунка. Це не тверда хмарка речовини й не фотографія шляху одного електрона. OpenStax: квантовий опис електронів.

Тому атом не має однієї твердої зовнішньої поверхні, як металева кулька. Коли наводять його розмір, потрібен обраний спосіб визначення. Для нашого порівняння він не потрібний: жетони на схемі лише рахують частинки, а не показують, де вони перебувають чи якими є відстані між ними.

Відірвати електрон і змінити ядро — різні події

У гарячому газі зіткнення та випромінювання можуть відокремлювати електрони від атомів. За відповідних умов утворюється плазма: середовище з вільними електронами та іонами, поведінка якого істотно залежить від електричних і магнітних взаємодій. Плазма може бути частково іонізованою, тож нейтральні атоми й заряджені частинки співіснують. Умови всередині зорі й у різних шарах її атмосфери відрізняються; не варто уявляти один стан для всієї зорі. Princeton Plasma Physics Laboratory: плазма.

Коли водень-1 утратив єдиний електрон, його позитивний іон — просто окремий протон. Але це все ще ядро водню, а не гелію. Іонізація не створює новий елемент.

У звичайних хімічних реакціях змінюються електронні зв’язки та поєднання атомів, а числа протонів і нейтронів у ядрах зберігаються. Так водень може входити до нової молекули. Ядерні реакції змінюють самі ядра; якщо змінюється число протонів у ядрі, змінюється й елемент. OpenStax: хімічні та ядерні зміни.

Саме ядерні перетворення, а не проста втрата електронів, дозволяють Сонцю утворювати гелій із водню та вивільняти енергію. Це послідовність реакцій за участю ядер та інших частинок; її не можна замінити картинкою «додали електрон — отримали гелій». OpenStax: ядерні реакції в Сонці.

Перевірте міркування: ядро має два протони й два нейтрони, а поруч зв’язаний лише один електрон. Що це? Два протони визначають гелій. Чотири частинки в ядрі дають гелій-4. Електрон компенсує лише один із двох позитивних зарядів: це іон гелію-4 із зарядом $+e$ . Відповідь не залежить від того, де на умовній картинці намалювали електрон.

Отже, будова атома дає три окремі опори: протони визначають елемент; протони разом із нейтронами — ізотоп; співвідношення протонів та електронів — заряд. З ними можна розбиратися і в молекулах води, і в зоряній плазмі, не плутаючи хімічну зміну з ядерною. Наступне запитання курсу — звідки взялися самі хімічні елементи.