Строение атома

Существованием атомов удалось объяснить не только поведение металлов, но и вообще все наблюдаемые в окружающем нас мире физические и химические процессы.

Но что такое сам атом? Каково строение его? Какие силы действуют внутри атома?

Этих вопросов никто не ставил, пока не было открыто, что атом может распадаться. Тогда ученым поневоле пришлось задуматься над его строением.

Физики создали несколько «моделей» атома. Лучшей из них, позволившей истолковать множество явлений, была модель английского физика Резерфорда.

Резерфорд считал, что атом — подобие планетной системы; в центре его находится тяжелое положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома; вокруг ядра обращаются отрицательно заряженные легкие частицы — электроны.

Заряд ядра по величине равен заряду всех электронов, удерживаемых его притяжением. Электроны очень быстро обращаются вокруг ядра, не падая, на него по той же причине, по которой удерживаются на своих орбитах планеты, обращающиеся вокруг Солнца.

На этом, однако, и кончалось сходство мёжду атомом и солнечной системой. Оказалось, что электроны, в отличие от планет, могут находиться только на определенных расстояниях от ядра. Они образуют так называемые электронные «оболочки». В каждой из оболочек может находиться не более определенного для нее количества электронов.

Эти законы, управляющие миром атомов, непонятны с точки зрения обычной, или классической, механики. Но все-таки ученым удалось воспроизвести явление, подобное образованию электронных оболочек.

На воду в широкой чашке было пущено несколько поплавков с магнитиками, обращенными вверх одним и тем же полюсом. Отталкиваясь друг от друга, магнитики рассеялись по поверхности воды. Они изображали в опыте электроны.

Затем невысоко над водой был помещен сильный магнит, обращенный вниз другим полюсом. Он играл роль атомного ядра. Под влиянием его притяжения магнитики-электроны выстроились под ним кольцом.

Когда был пущен еще один магнитик, он занял место в этом же кольце. То же произошло и с другими. Но затем новые поплавки с магнитиками, как бы не «поместившись» в кольце, начали строиться вне его, образуя новую кольцеобразную «оболочку».

Нечто подобное происходит и в мире атомов.

Электроны, притягиваемые положительно заряженным ядром, обращаются вокруг него. На ближайшей орбите «помещаются» только два электрона. Если ядро несет на себе более двух зарядов, то электроны размещаются и на второй орбите, где может «поместиться» не более 8 электронов. У атомов, ядро которых несет более 10 зарядов, электроны начинают заполнять третью орбиту, могущую «вместить» не более 18 электронов, и так далее (число электронов, заполняющее любую возможную орбиту, может быть найдено по формуле 2·n², где n — номер орбиты).

Атом оказался сложной системой, но его ядро, как доказало дальнейшее изучение, — не просто сплошной шарик. В этом ученые убедились, сравнивая заряды и массы атомных ядер различных веществ.

Ядро атома водорода — протон — несет на себе один положительный заряд. Можно было бы думать, что атомные ядра остальных веществ также состоят только из этих частиц. Например, атомное ядро углерода, несущее на себе 6 положительных зарядов, должно состоять из 6 протонов, однако оно в 12 раз тяжелее атомного ядра водорода. У других же веществ несоответствие еще больше: атомное ядро хрома обладает 24 зарядами, но в 52 раза тяжелее протона.

Это несоответствие удалось объяснить, когда было открыто существование незаряженных частиц — нейтронов — с массой, почти равной массе протона. Стало очевидным, что атомное ядро углерода состоит из 6 протонов и такого же числа нейтронов. Поэтому оно, обладая 6 зарядами, в 12 раз тяжелее атомного ядра водорода. В атомном ядре хрома 24 протона и 28 нейтронов, и потому его масса в 52 раза больше массы протона. Самое же тяжелое атомное ядро (урана) состоит из 92 протонов и 146 нейтронов.

Позднее удалось установить, что существуют вещества, атомные ядра которых имеют одинаковый заряд, но разную массу. Их назвали изотопами. Например, кроме обычного урана с атомным весом 238, существует уран, атомное ядро которого только в 235 раз тяжелее протона. Так как заряд их атомных ядер одинаков, то разница только в числе нейтронов.

Протоны и нейтроны удерживаются в ядре силами связи, природа которых еще мало известна. Эти силы при очень близком расстоянии между частицами значительно превосходят силу отталкивания между одноименными зарядами протонов. С увеличением же расстояния между частицами начинает преобладать сила отталкивания одноименных зарядов.

Если в самой внешней электронной оболочке атома не более 2—3 электронов, то они слабо связаны с ним и могут сравнительно легко отделиться.

Заряд электронных оболочек по величине равен заряду ядра. Поэтому атом в целом — нейтральное тело. Но если он потеряет один или несколько электронов, то заряд ядра становится больше, чем у его электронных оболочек. Атом в целом приобретает положительный заряд, по величине равный заряду потерянных электронов. Он называется положительным ионом. Захватывая же в свою внешнюю оболочку лишний электрон, атом в целом приобретает отрицательный заряд. Положительный и отрицательный ионы притягиваются друг к другу и образуют молекулу сложного вещества.

Известно, однако, что водород, кислород и многие другие вещества также состоят из молекул. Как же их нейтральные атомы могут соединиться в молекулу?

Эта загадка уже разрешена физиками.

При сближении нейтральных атомов происходит то же, что наблюдается при приближении наэлектризованной трением стеклянной палочки к сухому шарику из сердцевины бузины: как известно, он притянется к стеклянной палочке.

Предположим, что два нейтральных атома сблизились настолько, что между ними возникает взаимодействие. При этом ядра атомов и электроны под влиянием взаимного притяжения несколько сблизятся между собой. Поэтому сила притяжения между ними, изменяющаяся обратно пропорционально квадрату расстояния, увеличится.

Части же атомов, заряженные одинаковым электричеством, под влиянием взаимного отталкивания немного удалятся друг от друга. Значит, сила отталкивания между ними немного уменьшится. В результате сила притяжения между нейтральными атомами получит перевес над отталкиванием и они притянутся друг к другу.

Предположим, что сблизились два атома водорода. У каждого из них по одному электрону. Каждое из ядер действует на оба электрона. Под влиянием их притяжения каждый из электронов начинает двигаться по очень сложной орбите вокруг то одного, то другого из них.

Ядра атомов не могут сблизиться до соприкосновения. Этому мешает взаимное отталкивание их одноименных зарядов. Но они и не могут удалиться друг от друга, так как их связывает притяжение электронов.

Так образуется молекула водорода.

Пока атомы принимались просто за шарообразные частицы, молекулы изображались двумя прижатыми друг к другу шариками, приплюснутыми в месте соприкосновения. В некоторых случаях можно удовлетвориться такой примитивной моделью.

В действительности же молекула водорода вовсе не два сблизившихся атома. Она представляет собой систему из двух ядер и двух коллективизированных, или «обобществленных», электронов. Очевидно, что в первой модели шарик — воображаемая частица с поперечником, равным радиусу орбиты электрона.

Теперь можно понять, что удерживает в «упаковке» атомы металлов.

У атома металла во внешней оболочке 1—3 электрона, слабо связанных с его ядром. Вещества, имеющие более заполненную внешнюю электронную оболочку, теряют металлические свойства.

Когда конденсируются металлические пары или кристаллизуется металлический расплав, происходит то же, что и при образовании молекулы: внешние электроны атомов металла, слабо связанные с ними, отрываются и «обобществляются». Атомы становятся положительными ионами, взаимно отталкивающими друг друга. Освободившиеся же электроны «блуждают» между ними, обращаясь по сложным орбитам вокруг лежащих по соседству ионов. Они-то и связывают взаимно отталкивающиеся ионы металлов.

Кристалл металла — система плотно упакованных положительных ионов, связанных обращающимися между ними свободными электронами. Притяжение к этим электронам уравновешивает взаимное отталкивание положительных ионов. Равновесие между этими силами притяжения и отталкивания определяет прочность металла.

Каковы же по величине силы, действующие внутри атомов и молекул?

Предположим, что удалось бы извлечь положительные заряды ядер и отрицательные заряды электронов всех атомов одного грамма водорода. Если бы сосредоточить положительные заряды в одной точке, а отрицательные заряды в другой на расстоянии 1 сантиметра, то они взаимно притягивались бы с силой порядка 1029 дин, или 1020 тонн. Эта сила в десятки раз превосходит силу притяжения Солнцем земного шара.

Проникнув в тайну строения вещества, ученые могли уже объяснить, что происходит со сталью и стеклом при закалке.

Схематическое изображение молекул, если принимать атомы за сплошные шарики: 1 — молекула кислорода; 2 — молекула воды; 3 — молекула углекислого газа.