З чого складається атом: будова та основні частинки

Кожна річ у світі складається з атомів. Ці крихітні частинки формують усе: від повітря, яке ми вдихаємо, до землі під нашими ногами. Хоч атоми надто малі для людського ока, вони містять складний світ менших частинок. Розуміння будови атома відкриває таємниці природи та дає нам змогу керувати матерією.

Основні компоненти атома

Атом складається з трьох головних частинок: протонів, нейтронів та електронів. Кожна з них виконує важливу роль у формуванні властивостей атома.

Протони

Протони живуть у центрі атома — ядрі. Вони мають позитивний заряд і визначають, який це хімічний елемент. Кількість протонів у ядрі — це атомний номер елемента в таблиці Менделєєва. Наприклад:

• Гідроген має 1 протон
• Кисень має 8 протонів
• Золото має 79 протонів

Маса протона дорівнює приблизно 1,67×10^-27 кг. Це здається мізерним, але ця величина важлива для розрахунків в атомній фізиці.

Протони не можуть легко покинути ядро. Вони міцно тримаються там завдяки сильній ядерній взаємодії, яка долає електричне відштовхування між ними.

Нейтрони

Нейтрони також живуть у ядрі атома. Вони не мають електричного заряду, тому й отримали назву “нейтральні”. Нейтрони мають масу, майже однакову з протонами.

Головна роль нейтронів — скріплювати ядро атома. Вони діють як “клей” між протонами, які інакше відштовхувалися б один від одного через однаковий заряд.

Кількість нейтронів може змінюватись у атомів одного елемента, що створює різні ізотопи. Наприклад, Карбон-12 має 6 нейтронів, а Карбон-14 має 8 нейтронів, хоч обидва — це атоми Карбону з 6 протонами.

Електрони

Електрони обертаються навколо ядра. Вони мають негативний заряд і в тисячі разів легші за протони та нейтрони. Електрони визначають хімічні властивості атома.

В нейтральному атомі кількість електронів дорівнює кількості протонів. Коли атом втрачає або отримує електрони, він стає іоном — зарядженою частинкою.

Електрони не рухаються по чітких орбітах, як планети. Вони утворюють “хмари ймовірності” — області, де їх можна знайти з певною ймовірністю.

Будова атомного ядра

Ядро займає лише одну трильйонну частину об’єму атома, але містить більше 99,9% його маси. Ядро атома тримається завдяки сильній ядерній взаємодії — найпотужнішій силі природи на малих відстанях.

У ядрі протони і нейтрони упаковані дуже щільно. Якби ми збільшили ядро до розміру тенісного м’яча, весь атом був би розміром з футбольний стадіон.

Великі ядра з багатьма протонами менш стабільні. Це відбувається через зростання електричного відштовхування між протонами. Тому важкі елементи часто радіоактивні — їхні ядра розпадаються на менші, стабільніші частини.

Ядерні реакції — злиття (фузія) або поділ (фісія) ядер — вивільняють величезну кількість енергії. Саме ця енергія живить зорі, включно з нашим Сонцем.

Електронні оболонки та енергетичні рівні

Електрони розташовуються навколо ядра на різних енергетичних рівнях або оболонках. Кожен рівень може вмістити обмежену кількість електронів.

Перший рівень, найближчий до ядра, вміщує максимум 2 електрони. Другий рівень може мати до 8 електронів. Третій — до 18, і так далі.

Електрони заповнюють рівні від найнижчого до найвищого. Атоми прагнуть мати повністю заповнені зовнішні оболонки, що робить їх стабільними.

Електрони на зовнішньому рівні називаються валентними. Саме вони беруть участь у хімічних реакціях. Кількість і розташування валентних електронів визначає, як атом реагуватиме з іншими атомами.

Подібні конфігурації валентних електронів створюють подібні хімічні властивості. Це основа періодичної системи елементів, де елементи розташовані групами зі схожими властивостями.

Сучасні уявлення про структуру атома

Сучасна наука описує атом через квантову механіку. Згідно з цією теорією, електрони не мають чітких траєкторій. Замість цього ми можемо визначити лише ймовірність знайти електрон у певному місці.

Електрони займають об’ємні області простору — орбіталі. Орбіталі мають різні форми: s-орбіталі сферичні, p-орбіталі нагадують гантелі, d- та f-орбіталі мають складніші форми.

Квантова модель добре пояснює хімічні властивості елементів і те, як атоми поєднуються у молекули. Вона також пояснює спектри випромінювання атомів, які унікальні для кожного елемента — як відбитки пальців.

Сучасна техніка, як-от тунельні мікроскопи, дозволяє нам “бачити” окремі атоми і навіть пересувати їх. Ці технології відкривають двері до нанотехнологій — створення пристроїв з точністю до окремих атомів.

Висновок

Атом — основа всієї матерії — має структуру, схожу на мініатюрну сонячну систему, але з важливими відмінностями. Ядро з протонів і нейтронів містить майже всю масу, а електрони формують хімічні властивості.

Розуміння будови атома дозволило людству створити ядерну енергетику, лазери, сучасну електроніку та нові матеріали. Подальше вивчення таємниць атома відкриває шлях до ще більших технологічних проривів.

Знання про склад атома показує єдність усього у світі. Від зірок до людського тіла — все складається з однакових базових частинок, поєднаних у різні структури.