что такое размеры атома
Основы строения атома. Просто о сложном
Все в мире состоит из атомов. Но откуда они взялись, и из чего состоят сами? Сегодня отвечаем на эти простые и фундаментальные вопросы. Ведь многие люди, живущие на планете, говорят, что не понимают строения атомов, из которых сами и состоят.
Естественно, уважаемый читатель понимает, что в данной статье мы стараемся изложить все на максимально простом и интересном уровне, поэтому не «грузим» научными терминами. Тем, кто хочет изучить вопрос на более профессиональном уровне, советуем читать специализированную литературу. Тем не менее, сведения данной статьи могут сослужить хорошую службу в учебе и просто сделать Вас более эрудированными.
Атом – это частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, которая является носителем его свойств. Иными словами, это мельчайшая частица того или иного вещества, которая может вступать в химические реакции.
История открытия и строение
Понятия атома было известно еще в Древней Греции. Атомизм – физическая теория, которая гласит, что все материальные предметы состоят из неделимых частиц. Наряду с Древней Грецией, идеи атомизма параллельно развивался еще и в Древней Индии.
Не известно, рассказали тогдашним философам об атомах инопланетяне, или они додумались сами, но экспериментально подтвердить данную теорию химики смогли много позже – только в семнадцатом веке, когда Европа выплыла из пучины инквизиции и средневековья.
Долгое время господствующим представлением о строении атома было представление о нем как о неделимой частице. То, что атом все-таки можно разделить, выяснилось только в начале двадцатого века. Резерфорд, благодаря своему знаменитому опыту с отклонением альфа-частиц, узнал, что атом состоит из ядра, вокруг которого вращаются электроны. Была принята планетарная модель атома, в соответствии с которой электроны вращаются вокруг ядра, как планеты нашей Солнечной системы вокруг звезды.
Планетарная модель
Ядро атома имеет положительный электрический заряд, а электроны, вращающиеся по орбите – отрицательный. Таким образом, атом электрически нейтрален.
Ниже приведем элементарную схему строения атома углерода.
Схема строения атома
Свойства атомов
Масса
Массу атомов принято измерять в атомных единицах массы – а.е.м. Атомная единица массы представляет собой массу 1/12 части свободно покоящегося атома углерода, находящегося в основном состоянии.
В химии для измерения массы атомов используется понятие «моль». 1 моль – это такое количество вещества, в котором содержится число атомов, равное числу Авогадро.
Размер
При этом, масштабы вещей таковы, что, по сути, атом на 99% состоит из пустоты. Ядро и электроны занимают крайне малую часть его объема. Для наглядности, рассмотрим такой пример. Если представить атом в виде олимпийского стадиона в Пекине (а можно и не в Пекине, просто представьте себе большой стадион), то ядро этого атома будет представлять собой вишенку, находящуюся в центре поля. Орбиты электронов при этом находились бы где-то на уровне верхних трибун, а вишня весила бы 30 миллионов тонн. Впечатляет, не так ли?
Если предсавить атом в виде стадиона, ядро будет размером с вишню в центре поля
Откуда взялись атомы?
В самом начале формирования Вселенной никаких атомов не было и подавно, существовали лишь элементарные частицы, под воздействием огромных температур взаимодействующие между собой. Как сказал бы поэт, это был настоящий апофеоз частиц. В первые три минуты существования Вселенной, из-за понижения температуры и совпадения еще целой кучи факторов, запустился процесс первичного нуклеосинтеза, когда из элементарных частиц появились первые элементы: водород, гелий, литий и дейтерий (тяжелый водород). Именно из этих элементов образовались первые звезды, в недрах которых проходили термоядерные реакции, в результате которых водород и гелий «сгорали», образуя более тяжелые элементы. Если звезда была достаточно большой, то свою жизнь она заканчивала так называемым взрывом «сверхновой», в результате которого атомы выбрасывались в окружающее пространство. Так и получилась вся таблица Менделеева.
Вселенная
Так что, можно сказать, что все атомы, из которых мы состоим, когда-то были частью древних звезд.
Почему ядро атома не распадается?
В физике существует четыре типа фундаментальных взаимодействий между частицами и телами, которые они составляют. Это сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия.
Именно благодаря сильному взаимодействию, которое проявляется в масштабах атомных ядер и отвечает за притяжение между нуклонами, атом и является таким «крепким орешком».
Не так давно люди поняли, что при расщеплении ядер атомов высвобождается огромная энергия. Деление тяжелых атомных ядер является источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии.
Ядерный взрыв
Итак, друзья, познакомив Вас со структурой и основами строения атома, нам остается только напомнить о том, что наши авторы готовы в любой момент прийти Вам на помощь. Не важно, нужно Вам выполнить диплом по ядерной физике, или самую маленькую контрольную – ситуации бывают разные, но выход есть из любого положения. Подумайте о масштабах Вселенной, закажите работу в Zaochnik и помните – нет поводов для беспокойства.
§ 1.3. Размеры атомов разных химических элементов, их абсолютные и относительные массы
Мы уже знаем, что атомы химических элементов могут отличаться друг от друга по составу и, очевидно, что это должно влиять на их массу, поскольку чем больше в ядре атома суммарное количество протонов и нейтронов, тем он тяжелее. Электроны практически не влияют на массу атома, поскольку обладают крайне малой по сравнению с нейтронами и протонами массой (mp/me
Так как количество протонов в каждом атоме всегда равно количеству электронов, а электроны, если рассматривать строение атома упрощенно, движутся вокруг ядра на значительном от него удалении, то радиус атома равен радиусу орбиты наиболее удаленного от ядра электрона. Следовательно, должна быть некоторая зависимость радиуса атома от количества таких орбит, которая в какой-то степени связана с количеством электронов.
99 %). Одну двенадцатую массы атома данного изотопа углерода было принято обозначать 1 а.е.м., что расшифровывается как «атомная единица массы». Одна атомная единица массы равно примерно 1,66·10 −27 кг.
Графическое представление смысла одной атомной единицы массы представлено на рисунке 2.
Рисунок 2. Графическая иллюстрация физического смысла одной атомной единицы массы
Таким образом, мы подошли к определению нового термина – относительной атомной массы:
Определение: относительная атомная масса химического элемента равна отношению его абсолютной массы к одной двенадцатой абсолютной массы атома углерода или к массе одной атомной единицы массы.
Относительную атомную массу обозначают символом Ar (индекс r означает сокращение от английского слова relative, что переводится как «относительный»). Таким образом, обозначив в общем виде химический элемент символом Х, мы получаем следующую формульную запись представленного выше определения:
Относительная атомная масса — величина безразмерная, так как в числителе и знаменателе находятся значения, измеряемые в одинаковых единицах массы (кг, г или др.). Согласно представленной выше формуле, например, относительная атомная масса водорода равна:
а относительная атомная масса кислорода:
В большинстве расчетных задач, с которыми приходится иметь дело химикам, используются значения относительных атомных масс, округленные до целочисленных значений, т.е. применительно к водороду и кислороду:
Следует отметить, что атомную массу хлора округляют до 35,5. Это связано с тем, что у данного элемента наиболее распространенные в природе изотопы имеют относительные атомные массы 35 и 37, а их содержание в смеси близко к 3:1 в пользу более легкого.
Что такое размеры атома
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.
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.
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.
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.
Размер и масса атома
Размер атома определяется радиусом его внешней электронной оболочки. Размеры всех атомов
Атомы очень маленькие и очень легкие. Атом во столько раз легче яблока, во сколько раз яблоко легче земного шара. Если мир «потяжелеет» так, что атом станет весить как капля воды, то люди в таком мире станут тяжелыми, как планеты: дети — как Меркурий и Марс, а взрослые — как Венера и Земля.
Рассмотреть атом нельзя даже с помощью микроскопа. Лучшие оптические микроскопы позволяют различить детали объекта, если расстояние между ними
0,2 мкм. В электронном микроскопе это расстояние удалось уменьшить до
2-3 Å. Различить и сфотографировать отдельные атомы впервые удалось с помощью ионного проектора. Но никто не видел, как устроен атом внутри. Все данные о строении атомов получены из опытов по рассеянию частиц.
Масса атомного ядра в несколько тысяч раз больше массы его электронной оболочки. Это связано с тем, что ядра атомов состоят из очень тяжелых, по сравнению с электроном, частиц — протонов p и нейтронов n. Их массы почти одинаковы и примерно в 2000 раз больше массы электрона. При этом протон — положительно заряженная частица, а нейтрон — нейтральная. Заряд протона по величине равен заряду электрона. Число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке, это и обеспечивает электрическую нейтральность атома. Число нейтронов может быть различным, в ядре атома легкого водорода нейтронов нет совсем, а в ядре атома углерода их может быть и 6, и 7, и 8.
Масса атома меньше суммы масс ядра и электронов на величину Δm, называемую дефектом масс, который возникает из-за кулоновского взаимодействия ядра и электронов. Дефект масс у атомов (в отличие от ядер) очень мал, и, хотя он увеличивается с ростом Z, ни у одного атома не превышает массы электрона. Материал с сайта http://worldofschool.ru
15 самых интригующих фактов об атомах
Все во Вселенной — от ядра Земли до самых дальних галактик — состоит из атомов. Это фундаментальная единица элемента.
К настоящему времени было идентифицировано 118 элементов (все они перечислены в периодической таблице).
Слово «атом», означающее «неделимый», происходит от древнегреческого слова «ἄτομος». Древнегреческие философы считали, что атом невозможно разделить на что-то меньшее. Однако ученые доказали этот факт неправильно в начале 20 века, когда они открыли субатомные частицы (электроны, протоны, нейтроны).
Ниже мы перечислили некоторые из наиболее интригующих фактов об атомах, которые только сделают вас умнее. Так что давайте начнем с самого короткого и простого.
1. Состав атомов
Каждый атом содержит одно ядро [в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.
2. Ядро содержит почти всю массу
Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.
3. Электроны чрезвычайно малы
Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.
4. Атом может иметь электрический заряд
Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов.
Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).
5. Что удерживает протоны и нейтроны вместе?
Ядерная сила удерживает протоны и нейтроны вместе в ядре атома. Электроны притягиваются к протонам другой силой, называемой электромагнитной силой, которая слабее ядерной силы.
6. 94 Атома естественного происхождения на Земле
Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.
7. Каждый атом уникален
Каждый атом содержит определенное количество протонов в ядре. Например, все атомы натрия содержат 11 протонов, а все атомы серебра содержат 47 протонов.
Изотоп элемента определяется числом нейтронов, а магнитные характеристики зависят от количества электронов в атоме.
8. Самый большой и самый маленький атом
Самым большим элементом (по размеру) является Франций, но поскольку он крайне нестабилен, предпочтение отдается Цезию. У него большая валентная оболочка и относительно менее эффективный заряд ядра.
Иллюстрация атома гелия | Предоставлено: Викимедиа.
9. Самый тяжелый и легкий атом
Оганессон, однако, является самым тяжелым синтетическим химическим элементом. Самым тяжелым природным элементом является Уран с атомным весом 238,029.
Элемент, который имеет самый легкий атом-это водород. У него есть только один протон, обращающийся вокруг одного электрона. Его самый распространенный изотоп, известный как Протий, состоит из одного протона и нулевых нейтронов.
10. Возможно ли преобразовать один элемент в другой?
В некоторых экстремальных условиях электромагнитная сила (которая отталкивает электроны и протоны) преодолевает сильную ядерную силу, выбрасывая нуклоны из атомного ядра и оставляя после себя совершенно другой элемент. Это именно то, что происходит при делении ядер.
Однако этот процесс [распада] является дорогостоящим и опасным. Ученые пока не смогли безопасно генерировать энергию с помощью ядерного деления.
11. Атомы в человеческом теле
Тело человека весом 70 кг состоит из 7 × 10 27 атомов. Три атома (водород, кислород и углерод) составляют до 99 процентов от общего количества.
12. Сколько атомов существует во Вселенной?
Наблюдаемая вселенная огромна: она охватывает приблизительно 93 миллиарда световых лет. Согласно теоретической оценке, в нашей вселенной насчитывается от 10 78 до 10 82 атомов.
Это не какой-то выдуманный номер. Расчеты основаны на достоверных данных (что мы знаем о вселенной). Однако между этими оценками существует огромная разница, что говорит о значительной степени ошибки. Более точные цифры будут доступны, когда мы узнаем больше о космосе.
13. Радиоактивные атомы
В нестабильном атоме силы неуравновешенны. В этом случае атомное ядро содержит избыток либо протонов, либо нейтронов. Атом пытается достичь стабильного состояния, выбрасывая свои дополнительные частицы или высвобождая энергию в других формах. Элементы, содержащие такие нестабильные ядра, называются радиоактивными.
Фермий, например, является радиоактивным элементом: его самый стабильный изотоп (Fm-257) имеет период полураспада 100,5 суток.
14. Видя атомы
Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.
Сканирующий туннельный микроскоп захватывает атомы кремния на поверхности кристаллического карбида кремния
Вот почему ученые используют микроскоп другого типа, известный как сканирующий туннельный микроскоп. Он может обеспечить боковое разрешение 0,1 нм и разрешение по глубине 0,01 нм, что достаточно для изображения отдельных атомов в материалах.
15. Квантовая природа атомных свойств
Поскольку атомы чрезвычайно малы по размеру, они проявляют квантовые свойства, поэтому предсказание их поведения с применением классической физики всегда приведет к неверным результатам.
Когда электрон прыгает с одного энергетического уровня (орбиты) на другой, он не перемещается в пространстве между ними. Вместо этого он исчезает с одной орбиты, а затем сразу же появляется на другой орбите.
Чтобы лучше описать и оценить их поведение, несколько атомных моделей включили в себя законы квантовой физики.