 |
Планетарная модель атома. Устройство электронных оболочек
|
|
|
|
Планетарная модель атома
Через 15 лет после опубликования закона Менделеева, известный русский ученый и революционер Н. А. Морозов указал, что причину периодичности свойств элементов следует искать в числе электрических зарядов, заключенных в атоме. Это замечательное предвидение оправдалось только в начале нашего столетия, когда ученые получили некоторое представление об устройстве атома.
Атомы чрезвычайно малы. В пяти каплях воды содержится атомов больше, чем капель в Черном море. Чтобы напечатать в этой книге только одну точку, был израсходован миллиард атомов углерода, входящего в состав типографской краски.
Несмотря на столь незначительные размеры атом имеет весьма сложное строение.
Первая разведка внутриатомного мира была сделана в начале нашего века. Ученые старались придумать модель атома, которая позволила бы наглядно представить его строение.
Самая первая из моделей атома была крайне проста. Атом – это шарик заряженный положительно, внутри которого, как семечки в огурце, расположены электроны, – утверждал автор этой гипотезы. Однако были обнаружены явления, которые никак не согласовались с такой моделью. Было найдено, что альфа‑ частица из радиоактивного вещества, пролетая в воздухе, пронизывает сотни тысяч атомов, почти не отклоняясь от своего пути. И только изредка она резко меняет направление, как бы натолкнувшись на что‑ то непроницаемое. Значит, атом нельзя представлять себе как шарик, сплошь заполненный веществом.
Вторая модель атома называется планетарной.
Еще в сороковых годах прошлого столетия профессор М. Г. Павлов в своих лекциях по физике утверждал, что строение вещества связано с электрическими зарядами и что химические элементы имеют строение, подобное, устройству солнечной системы.
|
|
|
Впоследствии эта забытая гипотеза была воссоздана и разработана англичанином Резерфордом и датчанином Бором. Их модель изображала атом в виде крохотной планетной системы. В центре атома находится маленькое, но массивное, положительно заряженное ядро, представляющее собой «солнце» атомного мира. Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, обращаются по своим орбитам электроны.
Планетарная модель атома больше похожа на действительный атом, чем первая.
Однако, наряду с некоторым сходством в устройстве атома и солнечной системы, между ними существует большая разница.
В солнечной системе действует сила тяготения. В атоме действуют иные силы. Ядро атома несет положительный заряд, а электроны являются простейшими отрицательными зарядами.
В солнечной системе планеты обращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости. В атоме электроны вьются вокруг ядра по всем направлениям, охватывая ядро со всех сторон.
Планеты не могут переходить с одной орбиты на другую или, покинув солнечную систему, перекочевывать в другие планетные системы. Электроны же под влиянием внешнего воздействия – ударов других частиц материи – могут перескакивать с орбиты на орбиту и даже совсем, покидать атом, превращаясь в «вольных путешественников».
Наконец, атом в 1022 раз меньше солнечной системы. Такая огромная разница в масштабах обусловливает глубочайшие качественные различия между солнечной системой и атомом. Механика атома настолько отличается от механики больших тел, что, в сущности, вообще нельзя говорить об орбитах электронов. Мы можем только сказать, что ядро атома окружено электронным облачком или электронной оболочкой.
Электроны внутри оболочки размещены слоями, на определенных расстояниях или уровнях от ядра атома, и современная физика позволяет только указать, сколько электронов находится в каждом слое электронной оболочки атома данного элемента.
|
|
|
Следует, однако, сказать, что для наглядного объяснения многих явлений можно все же представлять атом в виде ядра, окруженного электронами, движущимися по определенным орбитам. Нужно только помнить, что в действительности атом гораздо сложней такой упрощенной модели.
Устройство электронных оболочек
Самый простой и легкий из атомов – это атом водорода. Водородный атом состоит из ядра, несущего один положительный заряд[17], и одного единственного электрона. Ядро атома водорода получило особое название – протон, что значит первичный.
Следующий за водородом в системе Менделеева элемент – гелий. Ядро атома гелия примерно вчетверо тяжелее протона. Оно состоит из двух протонов и двух частиц, которые почти равны протонам по массе, но лишены электрического заряда. Такие, не имеющие заряда, нейтральные частицы названы нейтронами.
Вокруг ядра атома гелия движутся два электрона.
Третью клеточку в таблице Менделеева занимает щелочной металл литий. Вокруг его ядра обращаются три электрона.
Элемент № 4 – бериллий. Его ядро содержит четыре положительные заряда, и окружено оно четырьмя электронами.
Если мы возьмем наугад какой‑ либо элемент из середины менделеевской таблицы, то убедимся, что этот порядок соблюдается везде. У элемента № 6 – углерода – 6 электронов. У азота – 7, у кислорода– 8, у фтора – 9 и у неона – 10. Номер элемента в системе Менделеева, количество положительных зарядов в ядре и количество электронов в оболочке всегда выражается одним и тем же числом. Например, олово: номер – 50, положительных зарядов ядра – 50, электронов в оболочке – 50.
Вот это число, выражающее одновременно и порядковый номер, и количество положительных зарядов, и количество электронов, называется числом Менделеева.
Посмотрим теперь, как располагаются электроны внутри электронных оболочек различных атомов.
Единственный электрон водородного атома обычно находится очень близко от ядра – на минимальном расстоянии, которое возможно по законам атомной механики. Принято называть этот низший уровень первым.
|
|
|
В атоме существует еще несколько определенных уровней, на которых могут находиться электроны.
В атоме гелия на первом уровне два электрона. Оказывается, что два электрона полностью заполняют первый уровень. Больше электронов на нем поместиться не может.
Поэтому у лития два электрона занимают первый уровень, а третий электрон помещается уже на втором уровне.
На втором уровне могут находиться восемь электронов. Поэтому у следующих за литием семи элементов электроны постепенно заполняют, как бы «достраивают» свой второй уровень. У бериллия там 2 электрона, у бора – 3, у углерода – 4, у азота – 5, у кислорода – 6, у фтора – 7, у неона – 8.
У неона второй уровень заполнен, – больше на нем свободной «жилплощади» нет. И одиннадцатый элемент – натрий помещает свой одиннадцатый электрон уже на третьем уровне.
Этим‑ то и объясняется то, что натрий и литий но химическим свойствам так похожи друг на друга. И у них обоих по одному электрону на верхнем уровне, то есть во внешнем электронном слое. Также сходны бериллий и магний – у них по два электрона во внешнем слое, и углерод с кремнием, – у которых по четыре внешних электрона и т. д.
Наконец у гелия, неона и аргона внешние слои заполнены целиком – и эти элементы тоже сходны между собой, – они ни в какие соединения не вступают.
У более тяжелых атомов строение электронных оболочек усложняется. Максимальное число электронов: на первом уровне – 2, на втором – 8, на третьем–18, на четвертом – 32. Эти числа и определяют постепенно усложняющуюся для более тяжелых элементов периодичность системы Менделеева.
|
|
|
