Учебник для 8 класса

ХИМИЯ

       

§ 7. Основные сведения о строении атомов

Вы уже знаете, что любой химический элемент, как правило, может существовать в трёх формах: свободные атомы, простые вещества и сложные вещества. Рассмотрим первую форму — свободные атомы.

Понятие «атом» возникло ещё в античном мире для обозначения частиц вещества. В переводе с греческого атом означает «неделимый».

Открытия, сделанные учёными-физиками, доказали, что атом имеет сложное строение — состоит из более мелких (элементарных) частиц.

Как же устроен атом?

В 1910 г. в Кембридже, близ Лондона, Эрнест Резерфорд со своими учениками и коллегами изучал рассеивание α-частиц, проходящих через тоненькую золотую фольгу и попадавших на экран. Альфа-частицы обычно чуть отклонялись от первоначального направления, всего на один градус, подтверждая, казалось бы, равномерность и однородность свойств атомов золота. И вдруг — о чудо! — исследователи заметили, что некоторые α-частицы резко изменяли направление движения, будто наталкивались на какую-то преграду.

Разместив экран перед фольгой, Э. Резерфорд сумел обнаружить даже те редчайшие случаи, когда α-частицы, отразившись от атомов золота, летели в обратном направлении.

Расчёты показали, что наблюдаемые ими явления могли произойти, если бы вся масса атома и весь его положительный заряд были сосредоточены в крохотном центральном ядре. Радиус ядра, как выяснилось, в 100 тысяч раз меньше радиуса всего атома, той его области, в которой находятся электроны, имеющие отрицательный заряд. Если применить образное сравнение, то весь объем атома можно уподобить стадиону в Лужниках, а ядро — футбольному мячу, положенному в центр поля.

Атом любого химического элемента — как бы крохотная Солнечная система (рис. 30). Поэтому такую модель атома, предложенную Э. Резерфордом, называют планетарной.

Рис. 30.
Планетарная модель строения атома

Но и это не всё. Оказывается, крошечное атомное ядро, в котором сосредоточена вся масса атома, состоит из элементарных частиц двух видов — протонов и нейтронов.

Протоны (табл. 2) имеют заряд, равный заряду электронов, но противоположный по знаку (+1), и массу (она принята в химии за единицу), примерно равную массе атома водорода. Обозначаются протоны знаком (или р+).

Таблица 2
Основные характеристики элементарных частиц

Нейтроны не несут заряда, они нейтральны и имеют массу, примерно равную массе протона, т. е. 1. Обозначают нейтроны знаком (или n0).

Электроны обозначают знаком . Так как массой электрона, ничтожно малой, можно пренебречь, то очевидно, что в ядре сосредоточена вся масса атома.

Сумму чисел протонов и нейтронов в атоме называют массовым числом (Л). Например, массовое число атома алюминия:

Поскольку атом электронейтрален, то также очевидно, что число протонов и электронов в атоме одинаково. Оно соответствует порядковому номеру химического элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Например, в ядре атома железа содержится 26 протонов, а вокруг ядра располагаются 26 электронов.

А как определить число нейтронов в атоме?

Как вам уже известно, масса атома складывается из массы протонов и нейтронов. Зная порядковый номер элемента (Z), т. е. число протонов, и массовое число (А), равное сумме чисел протонов и нейтронов, можно найти число нейтронов (N) по формуле:

N = A - Z.

Например, рассчитаем число нейтронов в атоме железа:

Состав атомных ядер химических элементов № 1—20 в Периодической системе Д. И. Менделеева представлен на рисунке 31.

Рис. 31.
Состав атомных ядер химических элементов (красные шарики — протоны, голубые — нейтроны) таблицы Д. И. Менделеева № 1—20

Можно ли разглядеть атом, потрогать и даже передвинуть его? Казалось бы, нет, — настолько он мал. Но современные приборы позволяют сделать это.

Швейцарские учёные Г. Бинниг и Г. Рорер создали микроскоп, который позволил увидеть реальные атомы и молекулы. За это открытие они в 1986 г. получили Нобелевскую премию. Такой микроскоп получил название сканирующего (рис. 32), так как в нём в роли сканера выступает очень тонкая игла-щуп, которую ведут у самой поверхности исследуемого вещества.

Рис. 32.
Сканирующий микроскоп

Неровности этой поверхности, создаваемые атомами (выпуклости и впадины), как бы прощупываются электрическим током, возникающим между иглой и частицами, которые образуют исследуемую поверхность (рис. 33).

Рис. 33.
Принцип действия сканирующего микроскопа

В результате с помощью мощного компьютера полученное изображение поверхности, построенное из отдельных атомов, возникает на мониторе. На рисунке 34 приведено изображение надписи «Peace», выложенное атомами ксенона.

Рис. 34.
Изображение атомов, полученное с помощью сканирующего туннельного микроскопа

Чтобы получить представление о работе сканирующего микроскопа, можно выполнить следующий опыт.

Лабораторный опыт № 3
Моделирование принципа действия сканирующего микроскопа

    Распакуйте пластинку жевательной резинки и с помощью указательного пальца (своеобразного сканера) сделайте вывод об относительной гладкости каждой из трёх поверхностей упаковки жевательной резинки и её содержимого: а) бумаги; б) фольги; в) самой резинки.

    Этот принцип используется при изготовлении печатной продукции для слепых.

Сканирующие микроскопы позволяют увеличить объекты материального мира в 100 млн раз. Так как такие объекты имеют размеры масштаба 10-9 м, т. е. размера нанометра (частица нано- от лат. «карлик», как раз и отражает эту величину), то манипулирование атомами относят к особой сфере человеческой деятельности — нанотехнологии. С помощью такой технологии создаются вещества и материалы с заранее заданными свойствами. Например, недалеко то время, когда в нашу жизнь войдут квантовые компьютеры, которые будут обладать поразительным быстродействием и огромным объёмом памяти, способностью мгновенно записать, обработать и переслать информацию любого вида в цифровом формате. На развитие нанотехнологии в Российской Федерации выделяются значительные средства.

Ключевые слова и словосочетания

  1. Атом — сложная нейтральная частица, состоящая из протонов, электронов и нейтронов.
  2. В таблице 2 приведены некоторые характеристики этих частиц.
  3. Вся масса атома сосредоточена в его ядре, объём которого чрезвычайно мал по сравнению с объёмом атома.
  4. Атом электронейтрален, так как содержит одинаковое число протонов и электронов, равное порядковому номеру элемента в таблице Д. И. Менделеева.
  5. Сканирующий микроскоп.
  6. Нанотехнологии.

Работа с компьютером

  1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материалы урока и выполните предложенные задания.
  2. Используя Интернет, подготовьте сообщение о достижениях нанотехнологии и её роли в жизни общества.
  3. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и словосочетаниям следующего параграфа.

Вопросы и задания

  1. Какие научные открытия доказали, что атом — сложная частица, что он делим?
  2. Определите число протонов, электронов и нейтронов в атомах элементов: натрия, фосфора, золота.
  3. Пользуясь этимологическим словарём, объясните, почему планетарную модель строения атома, предложенную Э. Резерфордом, называют также нуклеарной. Почему протоны и нейтроны вместе называют нуклонами?
  4. Порядковый номер элемента в таблице Д. И. Менделеева равен 35. Какой это элемент? Чему равен заряд ядра его атома? Сколько протонов, электронов и нейтронов в его атоме?
  5. На уроках биологии вы рассматривали клетки растений, используя световой микроскоп. Каков принцип действия этого микроскопа?
  6. Что выступает в роли аналога света в сканирующем микроскопе? Каков принцип действия этого микроскопа?
  7. Что такое нанотехнологии? Почему эта отрасль науки и производства получила такое название?

 

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru