Структурата на атома. Енергийните нива на един атом. Протони, неутрони, електрони

Името "атом" се превежда от гръцки като "неделимо". Навсякъде около нас - твърди вещества, течности и въздух - са изградени от милиарди от тези частици.

Появата на версията за атома

За пръв път атомите стават известни през 5-ти век пр.н.е., когато гръцкият философ Демокрит предполага, че материята се състои от движещи се малки частици. Но тогава не беше възможно да се провери версията на тяхното съществуване. И макар че никой не можеше да види тези частици, идеята беше обсъдена, защото само така учените можеха да обяснят процесите, протичащи в реалния свят. Затова те вярваха в съществуването на микрочастици много преди времето, когато те бяха в състояние да докажат този факт.

Само през XIX век. Те започнаха да се анализират като най-малките компоненти на химическите елементи, имащи специфични свойства на атомите - способността да влизат в връзки с други в стриктно предписано количество. В началото на ХХ век се вярвало, че атомите са минималните частици на материята, докато не се докаже, че те се състоят от още по-малки единици.

От какво се състои химичният елемент?

Атомът на химически елемент е микроскопичен градивен елемент на материята. Определящият фактор за тази микрочастица е молекулната маса на атома. Само откриването на периодичния закон на Менделеев оправдава, че техният вид представлява различни форми на една единствена материя. Те са толкова малки, че не могат да се видят с помощта на конвенционални микроскопи, а само най-мощните електронни устройства. За сравнение, косата на ръката на мъжа е милион пъти по-широка.

Електронната структура на атома има ядро, състоящо се от неутрони и протони, както и електрони, които се въртят около центъра в постоянни орбити, като планети около звездите си. Всички те са осигурени от електромагнитна сила, една от четирите основни във Вселената. Неутроните са частици с неутрален заряд, протоните са положителни и електроните - отрицателни. Последните са привлечени от положително заредени протони, така че е общо за тях да останат в орбита.

Структурата на атома

В централната част има ядро, което запълва минималната част от целия атом. Но изследванията показват, че почти цялата маса (99.9%) се намира точно в нея. Всеки атом съдържа протони, неутрони, електрони. Броят на въртящите се електрони в него е равен на положителния централен заряд. Частиците със същия заряд на ядрото Z, но различна атомна маса А и брой неутрони в ядрото N се наричат изотопи, но със същото А и различни Z и N isobars. Електронът е минималната частица от материята с отрицателен електрически заряд e = 1.6 · 10-19 coulomb. Йонният заряд определя количеството изгубени или добавени електрони. Процесът на метаморфоза на неутрален атом в зареден йон се нарича йонизация.

Нова версия на атомния модел

Физиците са открили до момента много други елементарни частици. Електронната структура на атома има нова версия.

Смята се, че протоните и неутроните, независимо колко малки са те, се състоят от най-малките частици, наречени кварки. Те представляват нов модел за изграждане на атом. Тъй като по-ранните учени събират доказателства за съществуването на предишния модел, днес те се опитват да докажат наличието на кварки.

RTM - устройството на бъдещето

Съвременните учени могат да видят атомните частици на материята на компютърния монитор, а също така да ги преместят на повърхността, като използват специален инструмент, наречен сканиращ тунелен микроскоп (RTM).

инструмент с наконечником, который очень осторожно движется возле поверхности материала. Това е компютъризиран инструмент с върха, който се движи много предпазливо близо до повърхността на материала. Когато върхът се движи, електроните се движат през пролуката между върха и повърхността. Въпреки че материалът изглежда напълно гладък, всъщност той е неравномерен на атомно ниво. Компютърът прави карта на повърхността на материята, създавайки образа на нейните частици, и учените по този начин могат да видят свойствата на атома.

Радиоактивни частици

Отрицателно заредените йони циркулират около ядрото на достатъчно голямо разстояние. Структурата на атома е такава, че целият атом е наистина неутрален и няма електрически заряд, защото всички негови частици (протони, неутрони, електрони) са в равновесие.

Радиоактивният атом е елемент, който лесно може да се разпадне. Неговият център се състои от много протони и неутрони. Изключението е само диаграма на водородния атом, който има единичен протон. Ядрото е заобиколено от облак от електрони, а тяхното привличане ги кара да се въртят около центъра. Протоните се отблъскват помежду си със същото зареждане.

Това не е проблем за повечето малки частици, които имат няколко. Но някои от тях са нестабилни, особено големи, като уран, който има 92 протона. Понякога центърът му не е такъв. Те се наричат радиоактивни, защото изхвърлят няколко частици от ядрото си. След като нестабилното ядро се освободи от протоните, останалите формират нова дъщеря. Тя може да бъде стабилна в зависимост от броя на протоните в ново ядро и може да бъде разделена допълнително. Този процес продължава, докато няма стабилно ядро на детето.

Свойства на атомите

Физикохимичните свойства на един атом естествено се различават от един елемент в друг. Те се определят от следните основни параметри.

Атомна маса. Тъй като основното място на микрочастицата е заета от протони и неутрони, сумата от тях се определя от броя, изразен в единици атомна маса (amu).

Атомен радиус. Радиусът зависи от местоположението на елемента в системата на Менделеев, химическата връзка, броя съседни атоми и кванто-механичното действие. Радиусът на ядрото е сто хиляди пъти по-малък от радиуса на самия елемент. Структурата на един атом може да загуби електрони и да се превърне в положителен йон или да добави електрони и да стане отрицателен йон.

В периодичната система на Менделеев всеки химически елемент заема своето място. В таблицата размерът на атома се увеличава, когато се движи от горе на долу и намалява при преместване от ляво на дясно. След това най-малкият елемент е хелий, а най-големият елемент е цезият.

Valence. Външната електронна обвивка на атома се нарича валентност, а електроните в него са подходящо наречени валентни електрони. Техният брой определя как един атом се комбинира с останалата част чрез химическо свързване. Методът за създаване на последните микрочастици се опитва да запълни външните си валентни черупки.

Гравитацията, привличането е сила, която задържа планетите в орбита, поради което предмети, освободени от ръцете, падат на пода. Лицето забележи гравитацията повече, но електромагнитното действие е многократно по-мощно. Силата, която привлича (или отблъсква) заредените частици в един атом е 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 пъти по-мощна от гравитацията в нея. Но в центъра на ядрото има още по-мощна сила, способна да държи заедно протони и неутрони.

Реакциите в ядрата създават енергия и в двата ядрени реактора, където атомите са разделени. Колкото по-тежък е елементът, толкова повече атоми са изградени от повече частици. Ако добавим общия брой протони и неутрони в елемента, ние знаем неговата маса. Например, Уран, най-тежкият елемент, наличен в природата, има атомна маса от 235 или 238.

Деление на атома в нивата

Енергийните нива на един атом са размерите на пространството около ядрото, където един електронен е в движение. Общо има 7 орбита, съответстващи на броя на периодите в периодичната таблица. Колкото по-далечно е разположението на електрона от ядрото, толкова по-значим енергиен резерв притежава. Номерът на периода показва броя на атомните орбита около сърцевината му. Например, калият е елемент от 4-ия период, следователно той има 4 енергийни нива на атома. Броят на химичния елемент съответства на заряда му и броя на електроните около ядрото.

Atom - източникът на енергия

Вероятно най-известната научна формула е открита от германския физик Айнщайн. Тя твърди, че масата не е нищо повече от форма на енергия. Въз основа на тази теория можете да превърнете материята в енергия и да изчислите по формулата колко може да бъде получена. Първият практически резултат от тази трансформация са атомните бомби, които първо бяха тествани в пустинята Лос Аламос (САЩ) и след това избухнаха над японските градове. И макар че само седмата част от взрива се превърна в енергия, разрушителната сила на атомната бомба беше ужасна.

За да може ядрото да освободи своята енергия, то трябва да се срине. За да го разделим, е необходимо да действаме навън от неутрона. Тогава ядрото се разпада на две други, по-леки, като същевременно осигурява огромно освобождаване на енергия. Разпадането води до освобождаването на други неутрони и те продължават да разделят други ядра. Процесът се превръща в верижна реакция, което води до огромно количество енергия.

Плюсове и минуси на използването на ядрена реакция в наше време

Разрушителната сила, освободена от трансформацията на материята, човечеството се опитва да укроти в атомните електроцентрали. Тук ядрената реакция не се осъществява под формата на експлозия, а като постепенно връщане на топлина.

Производството на ядрена енергия има своите предимства и недостатъци. Според учените, за да се запази цивилизацията ни на високо ниво, е необходимо да се използва този огромен източник на енергия. Но трябва да се има предвид, че дори най-модерните разработки не могат да гарантират пълната безопасност на атомните електроцентрали. В допълнение, радиоактивните отпадъци, получени в процеса на производство на енергия в случай на неправилно съхранение, могат да засегнат нашите потомци от десетки хиляди години.

След аварията в Чернобил все повече хора смятат, че производството на ядрена енергия е много опасно за човечеството. Единствената безопасна електроцентрала от този вид е Слънцето с ядрената си енергия с огромна мощ. Учените развиват всички видове модели на слънчеви клетки и може би в близко бъдеще човечеството ще може да си осигури безопасна ядрена енергия.