Строители Вселенной: что известно об атомах

Из чего состоит атом

Все физические тела состоят из веществ — к ним относятся вода, воздух, железо, углекислый газ. Основная теория строения вещества — молекулярно-кинетическая. Согласно ей, все вещества состоят из молекул, а молекулы — из атомов (одного или нескольких).

К примеру, молекула воды H2O состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. При химических реакциях молекулы могут обмениваться атомами, делиться на атомы, в результате чего образуются молекулы новых веществ. Так, атом — мельчайшая частица, сохраняющая свойства химического элемента.

Понятие атома возникло еще в Древней Греции. Наиболее известная теория была у Демокрита, который впервые ввел термин atomos — "неделимый". Философ заявил, что окружающий мир состоит из пустоты и неделимых частиц — атомов.

Научная база для изучения строения атома сформировалась только в конце XIX века. Существовало несколько моделей строения атома, однако главная из них — планетарная модель Резерфорда — Бора, которая стала основой для современной квантово-механической модели.

Согласно модели Резерфорда — Бора, атом состоит из ядра и электронов. Ядро расположено в центре частицы и составляет практически всю ее массу — 99,9%. Однако оно занимает только триллионную часть объема, поэтому атом внутри практически пуст. Ядро состоит из нуклонов — протонов (положительно заряженные частицы) и нейтронов (не несут заряда). Вокруг него вращаются электроны (отрицательно заряженные частицы).

Если представить атом размером с большой стадион, то его ядро окажется маленькой горошиной в центре поля, а электроны будут двигаться в районе верхних трибун. Их число равно числу протонов в ядре, что делает атом электрически нейтральным.

Электроны обладают высокой скоростью и непрерывно передвигаются. Благодаря своей маленькой массе, которая примерно в 1,836 тыс. раз меньше, чем у протона и нейтрона, электрон проявляет свойства как частицы, так и волны. Из-за волновых свойств точное положение электрона в атоме определить невозможно. Поэтому его представляют не как точку, а как электронное облако, в котором он может находиться. В электронном облаке существуют области, где вероятность присутствия электрона максимальна, — их называют атомными орбиталями. Скопление последних с одинаковой или близкой энергией формируют энергетический уровень.

Наиболее удаленные от ядра электроны — их называют валентными — участвуют в химических реакциях. Атом может отдавать или принимать их, а может создавать общие электронные пары с другими атомами. Так получаются новые соединения.

Как образовались атомы

Сейчас существует гипотеза, что 13,8 млрд лет назад, после Большого взрыва, во Вселенной находились только элементарные частицы — кварки (строительные материалы для нуклонов) и глюоны ("клей" для кварков), при взаимодействии которых формировались протоны и нейтроны. Такое состояние называют кварк-глюонной плазмой. Оно напоминало космический суп, в котором свободно плавали частицы, пока высокая температура — до 20 трлн C° — не позволяла им образовать устойчивые связи.

В течение первых трех минут во Вселенной произошел первичный нуклеосинтез — образование ядер химических элементов до появления звезд. Так появились ядра водорода, гелия и лития. Однако атомы тогда еще не сформировались, потому что температура Вселенной была слишком высокой. Спустя 380 тыс. лет температура снизилась, и электроны начали связываться с протонами, формируя первые атомы.

Водород и гелий стали основой первых звезд, в недрах которых происходили термоядерные реакции. Так формировались новые элементы. Самые большие звезды завершали жизнь взрывом сверхновой — мощным катаклизмом, при котором звезда разрушалась и выбрасывала образовавшиеся элементы в космическое пространство. Так постепенно возникли все известные человечеству химические элементы. Этот процесс называется вторичным (или звездным) нуклеосинтезом.

Зачем нужна таблица Менделеева

Все известные человеку химические элементы представлены в периодической системе химических элементов (ПСХЭ) Дмитрия Ивановича Менделеева, которая оформлена в виде таблицы. Химический элемент — совокупность атомов, у которых одинаковый заряд ядра. Он, в отличие от вещества, не имеет физических свойств: запаха, цвета и т.д. Элементы расположены в таблице последовательно — с увеличением порядкового номера, а значит, и заряда ядра. Горизонтальные строки в таблице называются периодами, а вертикальные колонны — группами.

В ПСХЭ указаны основные характеристики атома. К примеру, о кислороде в ней написано:

• символ: O;
• название: кислород;
• порядковый (атомный) номер: 8 (он показывает число протонов и электронов в атоме):
• распределение электронов по энергетическим уровням: два на первом, шесть на втором;
• атомная масса: 15,99.

Последняя характеристика измеряется в а.е.м. (атомная единица массы) — это условная величина, равная 1/12 массы атома углерода. Она введена для удобства: массы атомов в граммах слишком маленькие, поэтому в а.е.м. их проще сравнивать и записывать.

ПСХЭ отражает периодический закон: свойства элементов находятся в периодической зависимости от заряда их ядер. Это значит, что элементы со сходными свойствами повторяются через определенные интервалы, а не следуют друг за другом.

Периодический закон позволил Менделееву предсказать существование еще не известных элементов. В таблице он оставил пустые места для них и подробно описал их свойства. Сначала мировое научное сообщество отнеслось к открытиям скептически, однако позже были найдены галлий, скандий и германий, которые предсказал Менделеев. Таблица российского ученого позволила систематизировать химические элементы, предугадывать новые и находить закономерности между ними.

Какова роль атомов в физических процессах

Согласно основным положениям молекулярно-кинетической теории строения вещества, молекулы и атомы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие будет разным в зависимости от агрегатного состояния вещества (твердое, жидкое или газообразное). Так, молекулы газообразного кислорода будут свободно перемещаться в пространстве, а молекулы любых твердых тел — удерживаться вместе.

Между частицами действуют силы притяжения, благодаря которым жидкость собирается в капли, клей прилипает к бумаге, а твердые тела сохраняют форму. Поэтому, чтобы растянуть, сломать или разорвать что-либо, нужно приложить усилия.

Так можно объяснить и то, почему осколки тарелки не склеиваются сами по себе. При их сжатии слишком мало частиц приблизится на такое расстояние, чтобы подействовали силы притяжения. Поэтому для соединения осколков промежутки между молекулами заполняют клеем.

Однако частицы не только притягиваются, но и отталкиваются — силы притяжения и отталкивания между молекулами напрямую связаны с расстоянием между центрами молекул. Так, если попробовать сжать твердое тело или жидкость, в которых молекулы расположены очень плотно, отталкивание усилится и не даст это сделать. Газы — к примеру, воздух — сжимаются легче, потому что между их частицами есть свободное пространство. Если взять шприц без иглы, закрыть отверстие пальцем и сжать поршнем, воздух внутри легко поддастся давлению, тогда как вода в тех же условиях почти не сожмется.

Знание о движении и взаимодействии атомов и молекул помогает не только объяснять явления окружающего мира, но и создавать современные технологии. К примеру, энергию, которая выделяется при распаде ядра атома, человечество использует в атомных реакторах для производства электроэнергии, а также при создании ядерного оружия.

Не менее важна роль электронов: их поведение лежит в основе работы смартфонов, компьютеров, лазеров, МРТ и многих других приборов. К примеру, светодиодная лампа излучает свет благодаря небольшому кристаллу, через который течет электрический ток. Электроны внутри кристалла переходят с более высокого энергетического уровня на низкий, а излишки энергии отдают в пространство в виде излучения фотонов — частиц света.