Что такое атом, молекула. Химические элементы. Изотопы.

Что такое атом, молекула. Химические элементы. Изотопы.

АТОМ.

Деревья, птицы, облака, дома и автомобили состоят из атомов. Все состоит из атомов.

Рисунок 1.1. Все состоит из атомов.

Атомы — Самые маленькие составляющие частицы материи.

На рисунке 1.1 представлены образцы неживой и живой материи. Облака, дома и автомобили являются неживой материей Деревья и птицы представляют живую материю. Общее у неживой и живой материи — то, что они состоят из атомов.

«Атом» — по происхождению греческое слово, означающее неделимый. Оно введено в лексикон греческим философом Демокритом, который жил приблизительно 2500 лет назад. В то время полагали, что атом самая маленькая частица материи. Сегодня об этом мы знаем больше.

Размеры атома.

Рисунок 1.2. От целого к атому.

Представьте лист бумаги, разделенный на две части. Можно делить лист до тех пор, пока каждая его часть будет состоять из одного единственного атома. В этом случае лист будет разделён примерно на 1022 части, то есть 1+22 ноля (смотрите рисунок 1.2). Для примера: объём Земли составляет 1021 м3.

Маленькая торчка, сделанная карандашом, состоит из огромного количества атомов, большего, чем количество жителей на Земле. Диаметр ядра атома приблизительно равен 1/1 000 000 000 000  или 10-12 см, то есть одной стомиллионной части сантиметра. Диаметр целого атома, включая электроны, приблизительно равен 1/100 000 000 или 10-8 см, то есть одной стомиллионной части сантиметра.

Это означает, что траектории движении электронов расположены относительно далеко от ядра — подобно планетам нашей Солнечной системы — далеко от Солнца.

Таким образом, самая большая часть объема атома — пустое пространство. Плотность ядра — приблизительно 1014 г/см3, что означает, что 1 кубический сантиметр ядерной массы весил бы 100 000 000 тонн. Это может дать Вам представление о том, как крошечны атомы.

Строение атома.

Атомы настолько малы, что Вы не сможете различить их глазами, Вы не сможете даже увидеть их под наиболее мощным электронным микроскопом. Другими словами, мы не знаем, на что в действительности похож атом. Но имеются модели, которые описывают наше представление об атоме.

Наиболее простая модель была создана датским физиком Нильсом Бором в начале прошлого столетия. В течение последних десятилетий модель Бора была усовершенствована физиками мира.

В модели Бора атом состоит из ядра, изображенного объединенными сферами, как показано на рисунке 1.3,  вокруг ядра вращаются по своим орбитам отрицательно заряженные электроны. Ядро состоит из двух видов частиц. Светлые частицы, изображенные на рисунке, называются нейтронами — они не имеют электрического заряда. Темные частицы — протоны — заряжены положительно  (+).

Положительный заряд протонов нейтрализует отрицательный заряд электронов.

Следовательно, атом является электрически нейтральным, так как он имеет равное число протонов и электронов.

Рисунок 1.3. Модель атома Бора. Протоны и нейтроны приблизительно одного размера, электрон — приблизительно в 1800 раз меньше.

Элементарные частицы.

Таблица, приведенная ниже, показывает некоторые сравнительные данные об элементарных частицах — нейтронах, протонах и электронах.

Таблица. Элементарные частицы.

Колонка «Заряд» показывает, что электрический заряд нейтрона равен нулю, т.е. нейтрон — электрически нейтрален.

Протон заряжен положительно, Электрон отрицательно. Их заряды численно равны. Таким образом, они уравновешивают заряды друг друга.

Нейтрон и протон имеют практически одинаковый вес. Электрон — намного легче — приблизительно 1/1800 массы протона или нейтрона (колонка 4). Поэтому массой атома Фактически является масса ядра: вес электронов можно не учитывать.

ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В природе имеются различные виды химических элементов. Некоторые имеют относительно простую структуру, другие более сложную. Мы используем слово элемент, чтобы описать вещество, состоящее только из атомов одного вида.

Элемент определяется числом протонов в его ядре. Следовательно, число протонов во всех атомах некоторого элемента одинаково. Число нейтронов, однако, может изменяться.

Рисунок 1.4. иллюстрирует примеры некоторых химических элементов. Число перед названием элемента обозначает порядковый номер элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Символ после названия элемента — его химическое обозначение: Н — для водорода; Не — для гелия, С — для углерода, Sr- для стронция, Сs — для цезия и т.д.

Рисунок 1.4. Некоторые элементы, их химические обозначения и атомные номера.

В природе встречаются 92 элемента.

Изотопы или нуклиды.

Атомы, из которых составлены химические элементы, могут иметь разнообразные формы. Самый простой из всех атомов — атом водорода, его ядро состоит из одного протона. Кроме того, имеются еще два вида атомов водорода. Первый, с одним нейтроном, называется дейтерием, второй, с двумя нейтронами, называется тритием. Они являются изотопами водорода. Большинство других элементов также имеют такие изотопы.

Химически изотопы элементов ведут себя практически одинаково. С точки зрения ядерной физики изотопы имеют весьма различные свойства.

Другое название для изотопов всех химических элементов — нуклид. Иными словами: все элементы — нуклиды.

Обозначение изотопов водорода на рисунке 1.5 — «Н».

Сумма числа протонов и нейтронов называется массовым числом и обозначается верхним левым индексом перед символом химического элемента (1Н, 2Н и 3Н).

Водород — самый легкий из всех химических элементов: его ядро состоит из одного протона.

Ядро тяжёлого водорода, дейтерия, состоит из одного протона и одного нейтрона. Этот изотоп водорода приблизительно вдвое тяжелее обычного атома водорода.

Изотоп водорода, ядро которого состоит из протона и двух нейтронов называется тритий.

                               1Н                                                 2H(D)                                         3Н(Т)

Рисунок 1.5. Виды атомов (изотопов) водорода. Из этих 3-х Нуклидов наиболее распространен 1Н.

МОЛЕКУЛА.

Вся материя состоит из атомов. Атомы различных элементов могут объединяться и образовывать молекулу. Свойства этой молекулы могут весьма отличаться от свойств отдельных атомов. На рисунке 1.6 атом кислорода окружен двумя атомами водорода. Комбинация одного атома кислорода и двух атомов водорода образует молекулу воды Химическое обозначение воды — Н2О.

Молекула воды — относительно простоя молекула, состоящая только из трех атомов.

Имеются, однако, намного более сложные молекулы, которые могут состоять из сотен тысяч атомов, например молекула ДНК в ядре клетки. Эта молекула будет рассмотрена в главе 2 «Биологическое действие ионизирующего излучения».

Рисунок 1.6. Молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода.

Ионы и ионизация.

Мы упомянули, что атом электрически нейтрален. Но если атом испускает или поглощает один или большее количество электронов, он перестает быть электрически нейтральным. Он превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.

Рисунок 1.7. Пример ионизации атома.

На рисунке 1.7 Вы можете видеть нейтральный атом. Он содержит шесть протонов и поэтому окружен шестью электронами. Стрелка указывает что электрон удаляется. В этом случае атом приобретает вид, проиллюстрированный в правой части рисунка. Он имеет шесть протонов, но число электронов вокруг ядра — пять, а не шесть. Атом преобразовался в положительно заряженный ион. Этот процесс называется ионизацией, и требует энергетических затрат.

После ионизации атом с большей готовностью вступает во взаимодействие с другими веществами.

Материя может быть ионизирована при воздействии на нее излучения от радиоактивных источников, так называемого ионизирующего излучения. Это излучение может удалять электроны из атомов в веществе и  формировать свободные электроны и положительно заряженные ионы.

 

ФГУН «Санкт-Петербургский НИИ радиационной гигиены имени профессора П.В. Рамзаева», 2011

Шутов В.Н., Кадука М.В., Кравцова О.С., Прахоменко В.И., Самойленко В.М. Защита от радиации. Научно-популярное пособие. — Спб., 2011.-88с.

Художник Мельникова Т.Ю.

Ссылка на основную публикацию