Строение атома. Состав атомных ядер. Изотопы. (8 класс)

История изучения строения атома
Представление об атомах как неделимых мельчайших частицах веществ возникло еще в античные времена (Демокрит, Эпикур, Лукреций). В средние века учение об атомах, будучи материалистическим, не получило признания. К началу XVIII в. атомистическая теория приобретает все большую популярность. К этому времени работами французского химика А. Лавуазье (1743–1794), великого русского ученого М.В. Ломоносова и английского химика и физика Д. Дальтона (1766–1844) была доказана реальность существования атомов. Однако в это время вопрос о внутреннем строении атомов даже не возникал, так как атомы считались неделимыми.

История изучения строения атома
Большую роль в развитии атомистической теории сыграл выдающийся русский химик Д.И. Менделеев, разработавший в 1869 г. периодическую систему элементов, в которой впервые на научной основе был поставлен вопрос о единой природе атомов. Существование закономерной связи между всеми химическими элементами, ярко выраженное в периодической системе Менделеева, наталкивает на мысль о том, что в основе строения всех атомов лежит общее свойство: все они находятся в близком родстве друг с другом.

История изучения строения атома
Однако до конца XIX в. в химии господствовало метафизическое убеждение, что атом есть наименьшая частица простого вещества, последний предел делимости материи. При всех химических превращениях разрушаются и вновь создаются только молекулы, атомы же остаются неизменными и не могут дробиться на более мелкие части.
Различные предположения о строении атома долгое время не подтверждались какими-либо экспериментальными данными. Лишь в конце XIX в. были сделаны открытия, показавшие сложность строения атома и возможность превращения при определенных условиях одних атомов в другие. На основе этих открытий начало быстро развиваться учение о строении атома.

История изучения строения атома
Наиболее ярким свидетельством сложного строения атомов явилось открытие явления радиоактивности, сделанное французским физиком Анри Беккерелем в 1896г. Беккерель обнаружил, что элемент уран самопроизвольно излучает ранее неизвестные невидимые лучи, которые позже были названы радиоактивным излучением. В июле и декабре 1898 года Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри объявили об открытии двух новых элементов, которые они назвали полонием Po и радием Ra. Эти элементы были названы радиоактивными, а само явление – радиоактивностью.

История изучения строения атома
В 1899г. было обнаружено, что радиоактивное излучение радия неоднородно, т.е. оно имеет сложный состав. Положительно заряженные частицы назвали альфа-частицами, отрицательно заряженные – бета-частицами, а нейтральные – гамма-частицами или гамма-квантами (фотонами).

История изучения строения атома
Некоторое время спустя в результате исследования различных физических характеристик и свойств этих частиц удалось установить, что β-частица представляет собой электрон, а α-частица – полностью ионизированный атом элемента гелия (т.е. атом гелия, потерявший оба электрона). Выяснилось также, что ϒ-излучение представляет собой один из видов электромагнитного излучения.

История изучения строения атома
Особенно важный вклад в создание теории строения атома внёс английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937), который проводил опыты по изучению прохождения альфа-частиц через тонкие металлические пластины золота и платины. Большинство альфа-частиц проходило сквозь золотую фольгу без заметного изменения направления их движения. Однако некоторые частицы отклонялись на большие углы от первоначального направления и даже отбрасывались назад, что могло вызывать положительно заряженная частица атома – атомное ядро. Атомное ядро – это тело малых размеров, в котором сконцентрированы почти вся масса и весь положительный заряд атома. Вокруг ядра находятся отрицательно заряженные электроны.

История изучения строения атома
Позднее было установлено, что ядра атомов состоят из положительно заряженных частиц – протонов и нейтральных частиц – нейтронов. Сумму протонов и нейтронов называют массовым числом. Протоны, нейтроны и электроны – это элементарные частицы.

Строение атома элемента и его положение в ПСХЭ
Число протонов N(p+) равно заряду ядра (Z) и порядковому номеру элемента в периодической системе элементов. N(p+) = Z Электронная оболочка атома состоит из движущихся вокруг ядра электронов (е-). Число электронов в электронной оболочке нейтрального атома равно числу протонов в его ядре.

Строение атома элемента и его положение в ПСХЭ
Таким образом, зная порядковый номер элемента, можно определить строение его атома. Например, порядковый номер элемента натрия 11, значит, заряд ядра его атома +11. Следовательно, вокруг ядра вращается 11 электронов, имеющих общий отрицательный заряд -11.

Изотопы
Массовые числа атомов одного и того же элемента могут различаться. Например, природный кислород имеет атомы с массовыми числами 16,17,18. Это связано с тем, что число протонов в ядре атома любого элемента всегда постоянно, но число нейтронов может быть разным. В ядрах атомов кислорода число протонов равно 8, а вот нейтронов соответственно 8,9,10 (16-8=8; 17-8=9; 18-8=10).

Изотопы
Это разновидности атомов одного и того же химического элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов в ядре. Поэтому, химический элемент – это вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Изотопы
Относительная атомная масса химического элемента рассчитывается как средняя масса его изотопов с учётом их распространённости в природе. Поэтому относительная атомная масса часто не является целым числом. Для расчета относительной атомной массы элемента, представленного в природе в виде смеси изотопов, необходимо умножить процент каждого изотопа на его атомную массу и сложить их вместе, разделив затем на число изотопов.

Изотопы
Исходя из этого, становится понятным тот факт, что в некоторых случаях у элементов с большим порядковым номером атомная масса меньше, чем у элементов с меньшим порядковым номером, например, аргон Ar и калий К, теллур Te и иод I. Это зависит от того, какие изотопы преобладают в данном элементе: тяжелые или легкие. Элемент калий состоит преимущественно из более легких изотопов, а аргон – из более тяжелых. Кроме того, элементы располагаются в ПСХЭ на основании их свойств и принадлежности к тому или иному семейству.