Хімія. 8 клас. Ярошенко

§ 9. Будова атома. Склад атомних ядер. Протонне й нуклонне числа

Вивчення параграфа допоможе вам:

  • з'ясувати, які моделі будови атома відомі в науці;
  • дізнатися про внесок вітчизняних і зарубіжних учених у вивчення будови атома;
  • характеризувати склад ядер;
  • поповнити запас наукової термінології термінами «протонне число» й «нуклонне число»;
  • усвідомити роль теоретичних та експериментальних досліджень у розвитку науки.

УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця ХІХ ст. панувала думка про те, що атом не підлягає поділу на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так.

Радіоактивність — самочинний розпад нестійких атомних ядер, який супроводжується радіоактивним випромінюванням.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 17) розробив Джозеф Джон Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив у складі атома електрони.

Мал. 17. Модель будови атома Томсона

За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об'єму кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому нейтральний. Маса атома теж рівномірно розподілена в цьому об'ємі.

Модель Томсона проіснувала в науці недовго. Через кілька років її спростував англійський фізик Ернест Резерфорд (1871-1937) на підставі результатів власних експериментальних досліджень. Пропускаючи прямолінійно потік позитивно заряджених частинок із масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, деяка частина відхиляється під певними кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 частина відскакує назад (мал. 18).

Мал. 18. Відхилення позитивно зарядженої частинки від ядра

Поведінку однієї з десяти тисяч частинок у цьому досліді вчений пояснив таким чином. Оскільки частинки мали позитивний заряд, то відштовхувати (відкидати назад) їх могли інші частинки — також позитивно заряджені. Однойменні заряди, як вам відомо, відштовхуються. Такі результати досліду поставили під сумнів модель Томсона, бо доводили, що більшість атомного простору не несе позитивного заряду, він сконцентрований в одному місці й займає дуже малий об'єм. На цій підставі зроблено висновок, що атоми складаються з позитивно зарядженої серцевини — ядра, та негативно заряджених частинок — електронів, розміщених за його межами. Тому Е. Резерфорд запропонував у 1911 р. нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.

ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За моделлю весь позитивний заряд і майже всю масу атома (99,4 %) зосереджено в атомному ядрі. Розмір ядра надзвичайно малий у порівнянні з розмірами атома. Навколо ядра коловими або еліптичними орбітами, як планети навколо Сонця (звідси походить назва моделі), безупинно рухаються електрони, утворюючи електронну оболонку атома.

Заряд електрона — найменший з усіх відомих зарядів (докладніше про це ви дізнаєтесь на уроках фізики), його абсолютним значенням користуються вкрай рідко. Здебільшого використовують умовний заряд -1. Позитивний заряд ядра дорівнює сумарному негативному заряду електронів, тому атом у цілому (заряд дорівнює нулю) залишається електронейтральним (мал. 19).

Мал. 19. Модель атома Резерфорда

У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони — позитивно заряджені частинки, за рахунок яких ядро має позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, правда, у порівнянні з ним вона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +1, а електрона — -1.

Сьогодні вчені, студенти й учні знають, що, крім протонів, до складу ядра входять нейтрони. Теоретичне припущення про наявність нейтронів у ядрі висловив у 1932 р. відомий фізик Дмитро Дмитрович Іваненко. У 1933 р. він виголосив доповідь про протонно-нейтронну структуру ядра атома, у якій спирався на те, що в ядрі є важкі частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів і електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їх назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка мало експериментальне підтвердження в дослідах англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974), за що в 1935 р. він був удостоєний Нобелівської премії.

Сторінка ерудита

Дмитро Дмитрович ІВАНЕНКО (1904-1994) — видатний фізик-теоретик, який зробив фундаментальний внесок у розвиток багатьох розділів ядерної фізики, теорії поля та теорії гравітації. Блискучий викладач кількох вищих навчальних закладів СРСР, у тому числі й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав у 1932 р. (у 27 років!), коли першим на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтроннну модель атомного ядра.

Дмитро Дмитрович Іваненко

Народився 29 липня 1904 р. в Полтаві в сім'ї редактора та вчительки. У 1920 р. закінчив гімназію в Полтаві, де його жартома називали «професором». Першу вищу освіту здобув на фізико-математичному факультеті Полтавського педагогічного інституту, у 1923-1927 рр. навчався в Ленінграді. У 30-ті роки — науковий співробітник Фізико-математичного інституту АН СРСР, завідувач теоретичного відділу Українського фізико-технічного інституту в Харкові, завідувач кафедри теоретичної фізики Харківського механіко-машинобудівного інституту, професор Харківського університету. У 1940 р. захистив докторську дисертацію на тему «Основи теорії ядерних сил» і продовжував займатись теоретичною фізикою, а також очолив кафедру теоретичної фізики в Київському державному університеті імені Тараса Шевченка. З 1943 р. й до останніх років свого життя — професор фізичного факультету Московського державного університету (МДУ) імені М. В. Ломоносова.

Наукові заслуги вченого високо оцінили нобелевські лауреати: П. Дірак, Х. Юкава, Н. Бор, І. Пригожин і С. Тінг, які спілкувалися з ним і залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Д. Д. Іваненка на фізичному факультеті МДУ імені М. В. Ломоносова.

Попрацюйте групами

Сестра Дмитра Дмитровича Іваненка Оксана ІВАНЕНКО (1906-1997) — відома українська письменниця.

Пригадайте, які з її творів — оповідання, повісті або літературні казки — вам відомі (вивчали у школі). У вільну хвилину поцікавтеся більше її творчістю, поділіться враженнями від прочитаного з однокласниками.

Подальше вивчення будови атома у ХХ ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони і протони містяться в атомному ядрі й визначають масу атома. Так сформувалися сучасні погляди на склад і будову атома. Узагальнимо їх.

СУЧАСНІ ПОГЛЯДИ НА СКЛАД І БУДОВУ АТОМА. Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів. До складу ядра входять: позитивно заряджені протони, незаряджені (нейтральні) нейтрони. Негативно заряджені електрони перебувають у безупинному русі й формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати 1+1p , нейтрони — 10n , електрони — e- (мал. 20).

Мал. 20. Модель і схема будови атома

Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.

Усі складові атома мають надзвичайно малу масу, до того ж маса протона приблизно дорівнює масі нейтрона, тоді як маса електрона в 1836 разів менша від маси протона. Тому в науці масу протона і нейтрона прийнято за 1, на підставі чого маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складові вміщено в таблиці 8.

Таблиця 8

Складові атома

Частинка та її розміщення в атомі

Відносна маса (а.о.м.)

Абсолютна маса, кг

Заряд (в одиницях елементарного заряду)

протон (1+1p), у ядрі

1

1,627 · 10-27

+1

нейтрон (10n), у ядрі

1

1,625 · 10-27

0

електрон (e-), в електронній оболонці

1/1836

9,109 · 10-31

-1

Незважаючи на те, що ядро має розміри у десятки тисяч разів менші від розмірів електронної оболонки, основна маса атома зосереджена саме в ньому. При обчисленні відносної атомної маси елемента масою електронів нехтують.

Як виявилося, порядковий номер елемента в періодичній системі та число протонів у ядрі його атома збігаються. Наприклад, порядковий номер Кальцію дорівнює 20, і ядро атома Кальцію містить 20 протонів, порядковий номер Брому — 35, і ядро атома Брому містить теж 35 протонів.

Отже, завдяки описаним досягненням учених стало відомо про будову атома та його складові частинки. Однак на цьому етапі не всі загадки атома було розгадано.

Стисло про основне

• До кінця XIX ст. атом вважали неподільним. Уявлення про складну будову атома сформувались у першій третині ХХ ст.

• Відкриття електрона послужило підставою для створення моделі будови атома Томсона (1904 р.). Модель Томсона швидко змінила планетарна модель атома Резерфорда. Цьому сприяли експериментальні докази того, що позитивний заряд не розподілений по всьому об'єму атома, а сконцентрований в одному місці.

• Атом складається з позитивно зарядженого ядра та негативно заряджених електронів і в цілому є електронейтральною частинкою.

• В ядрі атома є протони (1+1p) (позитивно заряджені частинки) та нейтрони (10n) (частинки, що не мають заряду).

• Абсолютні маси складових атома дуже малі, тому користуються їх відносними масами: у протона й нейтрона вони приблизно однакові та прийняті за 1, маса електрона у 1836 разів менша.

• Ядро порівняно з атомом має дуже малі розміри, але в ньому зосереджено основну масу атома.

Сторінка ерудита

Шведський інженер Альфред НОБЕЛЬ (1833-1896) — винахідник вибухових речовин і власник багатьох заводів з їх виробництва. Не маючи власної сім'ї, весь свій капітал, що на той час становив 9 мільйонів доларів, заповів людству. У складеному вченим заповіті зазначено, щоб відсотки з його капіталу щорічно йшли на преміювання людей, котрі впродовж попереднього року принесли найбільшу користь людству. Зазначені відсотки він розпорядився поділити на п'ять рівних частин: одна — для тих, хто зробить видатні відкриття у фізиці, друга — у хімії, третя — у фізіології та медицині, четверта — у галузі мистецтва, п'ята — тому, хто зробить визначний внесок у згуртування і процвітання націй. Особливим бажанням А. Нобеля було те, щоб враховували досягнення і не зважали на національність кандидатів на премії.

Альфред Нобель

Одними з перших лауреатів Нобелівської премії були відкривач будови атома Ернест РЕЗЕРФОРД у 1908 р. і Марія СКЛОДОВСЬКА-КЮРІ у 1911 р.

Золота медаль Нобелівської премії

Премію з хімії Марії Склодовській-Кюрі присудили за унікальні дослідження Радію, який має надзвичайно велику випромінювальну здатність, у значних дозах смертельну для людини. Разом зі своїм чоловіком П'єром Кюрі вона була удостоєна Нобелівської премії (1903 р.) також із фізики — за відкриття радіоактивності елементів Полонію (Ро) і Радію (Ra). Марія Склодовська-Кюрі — перший учений, удостоєний такої високої наукової нагороди двічі. Вона була також першою жінкою-професором.

Знаємо, розуміємо

1.Які дослідження дали змогу вченим з'ясувати будову атома?

2. Розкажіть, у чому полягала відмінність у моделях Томсона та Резерфорда.

3. Схарактеризуйте складові частинки атома.

4. До якої складової атома належать:

  • а) протони;
  • б) електрони;
  • в) нейтрони?

5. Який внесок у розкриття будови атома зробив наш видатний співвітчизник Д. Д. Іваненко?

6. Кому належать відкриття:

  • а) протона;
  • б) нейтрона;
  • в) електрона?

7. Чому модель Томсона проіснувала недовго?

8. Як Е. Резерфорд пояснював відхилення позитивно заряджених частинок при пропусканні їх крізь тоненькі металеві пластинки (мал. 18 на с. 56)?

9. За що присуджують Нобелівську премію? Поясніть походження її назви.

10. Назвіть відомих вам учених, удостоєних Нобелівської премії за відкриття, пов'язані з будовою атома та властивостями його структурних частинок.

Застосовуємо

29. Зазначте заряди ядер атомів, кількість електронів в атомі для елементів із порядковими номерами 28, 36, 57, 84.

30. Визначте хімічні елементи за наведеними відомостями про них:

  • а) елемент розташований у 4 періоді, ІV групі, головній підгрупі;
  • б) елемент розташований у 4 періоді, І групі, побічній підгрупі;
  • в) елемент розташований у 3 періоді, формула його леткої сполуки з Гідрогеном відповідає загальній формулі H2R;
  • г) атом елемента має на 7 електронів більше, ніж атом Карбону;
  • д) елемент 3 періоду має валентність IV у вищому оксиді та леткій сполуці з Гідрогеном.

Напишіть формули вищих оксидів для елементів, про які йдеться у завданнях а, в, г.

Працюємо з медійними джерелами

31. Поцікавтесь:

  • а) кому з хіміків і за які відкриття присуджувалась Нобелівська премія;
  • б) хто з хіміків був першим серед нагороджених;
  • в) хто з нобелівських лауреатів має українське коріння.

32. З'ясуйте, які записи залишили в кабінеті Д. Д. Іваненка нобелівські лауреати П. Дірак, Х. Юкава, Н. Бор, І. Пригожин і С. Тінг. Занотуйте їх та обговоріть у групах.