3. Квантово-механическая модель атома

По современным представлениям атом – химически неделимая частица микроскопических размеров и массы (микрочастица) – носитель свойств химического элемента. Атом является сложной электромагнитной системой, состоящей из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов (в случае атома водорода – одного электрона).

Атомное ядро образуют протоны¹ и нейтроны², имеющие общее название – нуклоны³.

Протон – стабильная элементарная частица¹, представляющая собой ядро самого лёгкого (обычного) атома водорода, которая имеет массу покоя² и единичный положительный электрический за­ряд³, равный по величине отрицательному электрическому заряду электрона (табл. 1). Стабильность протона условна, продолжительность его "жизни" хотя и велика, но конечна – 10³⁰-10³² лет.

Нейтрон – электрически нейтральная элементарная частица с массой покоя, незначительно превышающей массу покоя протона (табл. 1).

Относительные массы протона и нейтрона принимаются равными 1 а. е. м⁴. Обозначаются эти частицы так: протон – p, или ; нейтрон – n, или (надстрочный индекс обозначает массу, подстрочный – электрический заряд) (табл. 1).

Число протонов, равное числу электронов в электрически нейтральном атоме, определяет заряд ядра атома (Z), которому соответствует порядковый номер элемента в Периодической системе химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева.

Сумма протонов и нейтронов в ядре атома называется массовым числом и обозначается буквой А:

A = Z + N.

Электрон (символы е, е^– или ) – стабильная элементарная частица, материальный носитель наименьшей массы и наименьшего отрицательного электрического заряда в природе со свойствами волны (ему характерен корпускулярно-волновой дуализм¹). Масса покоя электрона более чем в 1836 раз меньше массы покоя протона (рис. 11). Электрон не имеет определённых размеров, и лишь приближённо можно наметить его "радиус" (~1,4·10^–3 пм ²).

Рис. 11. Соотношение масс протона и электрона

Таблица 1

Характеристика элементарных частиц – протона, нейтрона и электрона

Частица	Обозна-чения	Заряд		Масса покоя
		Кл	относи- тельный	кг	относи-тельная а.е.м.
Протон	p,	+1,6 · 10–19	+1	1,673 · 10–27	1,0073
Нейтрон	n,	0	0	1,675 · 10–27	1,0087
Электрон	е, е–,	–1,6 · 10–19	–1	9,109 · 10–31	0,0005

Поскольку в электрически нейтральном атоме число электронов равно числу протонов, с помощью периодической системы химических элементов можно легко определить число протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента.

Например, натрий в периодической системе химических элементов имеет порядковый номер 11 и атомную мас­су 22,99 (~23) а.е.м. Следовательно, ядра большинства электрически нейтральных атомов натрия состоят из 11 протонов и 12 нейтро­нов (23 – 11 = 12), и вокруг них движутся 11 электронов.

Вид (совокупность¹) атомов с определённым значением заряда ядра Z (числом протонов в ядрах) называется химическим элементом².

В атомах одного и того же химического элемента может содержаться разное число нейтронов. Та­кие атомы при одинаковом числе протонов имеют разное массовое число и, следовательно, разную массу.

Вид атомов с определёнными значениями заряда Z (числом протонов в ядрах) и массового числа A называется нуклидом или вид атомов данного химического элемента с определённым значением массового числа называется нуклидом.

Нуклид обозначают символом соответствующего химического элемента с указанием массового числа его атомов – ^АЭ или атомного номера подстрочным и массового числа надстрочным индексами – Э, например, С. Другая форма записи нуклида – название химического элемента с указанием массового числа его атомов, например углерод-12.

Нуклиды с разным массовым числом, а, следовательно, с разным числом нейтронов, называются изотопами³.

В природе существуют стабильные и нестабильные (радиоактивные) нуклиды. В настоящее время известно более 300 стабильных нуклидов. Искусственные радиоактивные нуклиды получают в результате ядерных реакций.

Количество нуклидов всех известных химических элементов превышает 2 600. Максимальное число стабильных изотопных нуклидов у олова – двенадцать – с массовыми числами от 112 до 124. Есть и элементы-одиночки, представленные всего одним нуклидом, – это Be, F, Na, Al, P и др.

Таким образом, изотопы – это семейство нуклидов химического элемента, например, водорода: ¹Н (обычный водород, или протий), ²H (D – дейтерий), ³Н (Т – тритий). Водород является единственным химическим элементом, нуклиды которого имеют собственные названия и даже символы. Тритий, который можно получить только искусственным путём, радиоактивен. Искусственным путём получены также сверхтяжёлые нуклиды водорода: ⁴Н, ⁵Н, ⁶Н.

Относительная атомная масса, или просто атомная масса, химического элемента (А_отн., или A_r¹) равна среднему арифметическому масс­ атомов нуклидов элемента с учётом их молярной доли в природе (распространённости).

A_r (Э) = ΣA_i · x_i, x_i = n_i/n,

где A_i – массовое число данного нуклида;

x_i – молярная доля данного нуклида в природной смеси;

n_i – число атомов данного нуклида;

n – суммарное число атомов всех нуклидов.

Например, природный хлор состоит из двух нуклидов: ³⁵С1 и ³⁷Cl, массы которых соответственно равны 34,964 и 36,961 а.е.м., а относительные распространённости составляют 75,53 и 24,47 %. Относи­тельная атомная масса хлора² равна:

(34,964 · 75,43 + 36,961 · 24,47) / 100 = 35,453 а.е.м.

Атомная масса является одной из основных характеристик химического элемента.

При химическом взаимодействии атомов их ядра ос­таются без изменения, а строение внешних электронных оболочек изменяется вследствие перераспределения электро­нов между ними. Способность атома химического элемента отдавать или присоединять электроны, зависящая от заряда его ядра, строения электронной оболочки и радиуса, определяет его химические свойства.

Электронная оболочка атома – это пространство вокруг ядра, в котором находятся принадлежащие ему электроны.

Электроны атома с примерно равной энергией образуют электронный слой (электронную оболочку или энергетический уровень).

Энергетические уровни атома нумеруются по возрастанию энергии, а электронные слои – по удалённости от ядра, и обозначаются буквами: первый уровень (слой) – К, второй – L, третий – М, четвёртый – N и т. д. На основании более тонких различий в энергии электронов уровни подразделяются на подуровни (подслои, или подоболочки).

Расстояние от ядра до наиболее удалённого электрона определяет размер атома, который составляет весьма малую величину – по­рядка 100 пм в поперечнике. Диаметр атомного ядра, если считать его шарообразным, – порядка 10^–2-10^–3 пм, то есть ядро в 10-100 тысяч раз меньше самого атома и занимает примерно 1/10¹⁵ часть его объёма (рис. 12).

Рис. 12. Соотношение размеров ядра и электронной оболочки атома

Атомы нельзя увидеть ни в один оптический микроскоп. По своим размерам они во столько раз меньше обыкновенного яблока, во сколько раз яблоко меньше земного шара.

Если для наглядности представить атомное ядро увеличенным до 1 мм, то атом в этом случае увеличится до 100 м (размер футбольного поля 90 × 120 м). В то же время вся масса атома фактически сосредоточена в его ядре. Если бы можно было собрать 1 см³ атомных ядер, то их масса оказалась бы равной приблизительно 114 млн. т! Трудно даже представить себе, насколько огромна плотность ядерного вещества, так как она чрезвычайно велика по сравнению с плотностью обычных веществ и составляет около 10¹⁴ г/см³.