Основные сведения о строении атома: характеристики, особенности и формула.

О современных научных воззрениях об образовании Вселенной, ее прошлом, нынешнем и будущем состоянии в прямом эфире видеостудии сайт рассказал специалист в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц, космологии, академик Российской академии наук, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков.

Квантовая физика и происхождение Вселенной

— Валерий Александрович, расскажите, пожалуйста, о теориях образования Вселенной. Что такое теория развития космологических возмущений?

— Начинал я как теоретик в области физики элементарных частиц и примыкающей к ней области квантовой теории поля. Как раз тогда начало выясняться, что физика элементарных частиц и физика очень больших масштабов, космологии, Вселенной, - очень тесно связанные между собой вещи. Это удивительно, но это факт.

И чем дольше я живу, тем больше это видно, тем больше это проявляется и в теории, и теперь уже в эксперименте. Вот я так потихонечку "сдрейфовал" в космологию. Она сейчас особенно интересной стала, потому что за последние четверть века стала точной наукой. Раньше можно было о Вселенной думать самые разные вещи и очень мало было экспериментальных фактов, очень мало было достоверно известного о том, как устроена наша Вселенная, как она развивается, эволюционирует.

А сейчас есть гигантское количество экспериментальных данных, которые из самых разных областей. Появляются, конечно, многие новые астрономические данные, разными способами полученные, на спутниках и на телескопах. Сегодня мы про Вселенную знаем очень много. Поэтому сейчас очень интересно заниматься космологией как наукой, а не просто как мировоззрением.

— Насколько поменялись представления о Вселенной в последние годы?

— Поменялось довольно много. Стало совершенно ясно, что наша Вселенная не статична, она расширяется, пространство в разные стороны растягивается. Соответственно, в прошлом вещество во Вселенной было гораздо более плотным и горячим. Эта картина осталась.

Более того, она получила новые подтверждения, и сегодня мы понимаем в деталях, как была устроена Вселенная через одну секунду после того, как это вот быстрое расширение началось. Сравнивая с теорией экспериментальные данные, можно сказать, что вот так Вселенная существовала, развивалась через одну секунду после первоначального толчка.

— Получается, что теории Большого взрыва, которые разрабатывал Хоккинг, остаются в силе?

— Ну, они остаются в силе, значит, у него есть просто свои взгляды на еще более ранние стадии эволюции Вселенной. Про первую секунду мы знаем вот откуда. Значит, в это время во Вселенной температуры достигали примерно десяти миллиардов градусов. Гигантские температуры! Происходят термоядерные реакции, в которых образуется поистине вселенская энергия.

Зная ядерную физику, теорию гравитации, общую теорию относительности, можно вычислить концентрацию элементов, которые образуются. До этого в основном был водород, а потом образовались гелий, дейтерий в этом раннем "супе". С одной стороны, мы можем это вычислить, а с другой стороны, мы теперь можем это измерить. Астрономы научились эти концентрации измерять. Поэтому мы уверены в том, как была устроена Вселенная через секунду после Большого взрыва.

Теперь есть независимая совершенно история, связанная с космологическими возмущениями. Вселенная неоднородна. Есть более плотные области, есть менее. Есть галактики, там гораздо большая плотность вещества, чем в среднем по Вселенной. Есть Земля, где вообще плотность невероятная, огромная, по сравнению со средней плотностью, а есть набор больших пустот.

Вселенная такая комкастая. Спрашивается, откуда это все взялось? Значит, были в те самые первые времена зародыши. Где-то было вещества чуть больше, где-то чуть поменьше. Потом потихонечку в результате эволюции там, где было побольше, образовались галактики. Оттуда, где поменьше, вещество растащилось гравитационными силами, и получились пустоты.

Мы сегодня довольно хорошо представляем, как были устроены эти первичные возмущения. Их свойства однозначно говорят нам, что они появились еще до этой горячей стадии, еще до того, как во Вселенной появился "суп" из элементарных частиц. А до этого Вселенная была совсем другой. И вот здесь находится сейчас передний край, потому что об этой самой-самой ранней стадии, предшествующей горячей стадии, мы можем узнать, изучая в деталях, как устроены первичные возмущения.

Одна из популярных гипотез - это инфляционная теория. Инфляция — это ситуация, когда Вселенная безумно быстро расширялась. Так стремительно, что в обычных терминах даже сказать нельзя. Она за микроскопические доли секунды разрослась от размеров меньше атомного ядра до размеров больше, чем видимый размер современной Вселенной.

Гипотеза инфляции первый раз появилась в работе Алексея Александровича Старобинского, замечательного космолога, академика Российской академии наук. Потом появились разные версии, большой вклад внесли Андрей Дмитриевич Линде, Алан Гут, Стайнхард. Я тоже немножко принимал участие в этой деятельности.

— Есть частицы, которые могут находиться одновременно в разных частях Вселенной. И только в момент, когда наблюдатель посмотрел, их положение в пространстве зафиксировано. Как так?

— Правильно, и это ничему не противоречит. Раньше это было непонятно, противоречило человеческому опыту. Вы вроде бы не можете сидеть за рабочим столом и одновременно обедать в ресторане. Но это вовсе не означает, что природа на более фундаментальном уровне устроена именно так.

Действительно, частица может находиться одновременно в одном и в другом месте. Такова квантовая физика. Это уже активно используется при разработке квантовых компьютеров, на этом квантовый компьютер отчасти сидит. Это вполне объективная вещь, так устроена природа. И теперь благодаря тому же компьютеру и интернету это вполне понятно и на повседневном уровне.

— Можно ли согласиться с теми физиками, которые говорят, что наступит некий предел расширения, дилатация, и Вселенная схлопнется?

— Это еще один интересный непонятный вопрос. И, наверное, долго будет оставаться неясным, что будет со Вселенной, скажем, через 40 миллиардов лет. Сейчас возраст Вселенной — 14 миллиардов лет. Значит, в ближайшие 10-15 миллиардов лет можно жить спокойно, никаких катаклизмов не произойдет. Вселенная растянется раза в 2-2,5 за это время.

Но никакой катастрофы в этом нет. А что дальше будет происходить со Вселенной — это вопрос. Сейчас сильно поменялся гипотетический ответ на этот вопрос в связи с тем, что в 1998-1999 годах был открыт факт ускоренного расширения Вселенной. Это удивительная история, потому что, вообще-то, гравитационные силы стремятся подзадержать расширение. Поэтому раньше думали, что происходит замедление расширения Вселенной.

Выяснилось, что ничего подобного. Кстати сказать, это открытие было отмечено Нобелевской премией. Вселенная расширяется ускоренно, темпы увеличиваются. И не очень понятно, что это все значит, откуда это и что за этим стоит. Фактически речь идет об антигравитации, потому что ускоренное расширение — это именно антигравитация. Ее называют темной энергией, хотя термин крайне неудачный, тем не менее он прижился.

Будущее нашей Вселенной определится ее свойствами. Вселенная будет расширяться все быстрее и быстрее, и не исключено, что ее вообще разорвет через 40 миллиардов лет. Может быть, Вселенная остановится в своем расширении и начнется сжатие, разогрев, и мы опять попадем в предельно сжатую точку невероятно горячей плазмы.

А если это постоянное состояние, то Вселенная будет расширяться вечно. Сегодня мы не настолько хорошо знаем свойства этой самой темной энергии, чтобы сказать, что нас ждет. Но можно быть спокойным, потому что у нас еще 20 миллиардов лет точно есть. Я надеюсь, что если человечество, дай Бог, доживет до этого, то оно придумает, как выйти из этого положения.

Беседовал Александр Артамонов

К публикации подготовил Юрий Кондратьев

Атом - это мельчайшая частица химического вещества, которая способна сохранять его свойства. Слово «атом» происходит от древнегреческого «atomos», что означает «неделимый». В зависимости о того, сколько и каких частиц находится в атоме, можно определить химический элемент .

Кратко о строении атома

Как можно вкратце перечислить основные сведения о является частицей с одним ядром, которое заряжено положительно. Вокруг этого ядра расположено отрицательно заряженное облако из электронов. Каждый атом в своем обычном состоянии является нейтральным. Размер этой частицы полностью может быть определен размером электронного облака, которое окружает ядро.

Само ядро, в свою очередь, тоже состоит из более мелких частиц - протонов и нейтронов. Протоны являются положительно заряженными. Нейтроны не несут в себе никакого заряда. Однако протоны вместе с нейтронами объединяются в одну категорию и носят название нуклонов. Если необходимы основные сведения о строении атома кратко, то эта информация может быть ограничена перечисленными данными .

Первые сведения об атоме

О том же, что материя может состоять из мелких частиц, подозревали еще древние греки. Они полагали, что все существующее и состоит из атомов. Однако такое воззрение носило чисто философский характер и не может быть трактовано научно.

Первым основные сведения о строении атома получил английский ученый Именно этот исследователь сумел обнаружить, что два химических элемента могут вступать в различные соотношения, и при этом каждая такая комбинация будет представлять собой новое вещество. Например, восемь частей элемента кислорода порождают собой углекислый газ. Четыре части кислорода - угарный газ.

В 1803 году Дальтон открыл так называемый закон кратных отношений в химии. При помощи косвенных измерений (так как ни один атом тогда не мог быть рассмотрен под тогдашними микроскопами) Дальтон сделал вывод об относительном весе атомов .

Исследования Резерфорда

Почти столетие спустя основные сведения о строении атомов были подтверждены еще одним английским химиком - Ученый предложил модель электронной оболочки мельчайших частиц.

На тот момент названная Резерфордом «Планетарная модель атома» была одним из важнейших шагов, которые могла сделать химия. Основные сведения о строении атома свидетельствовали о том, что он похож на Солнечную систему: вокруг ядра по строго определенным орбитам вращаются частицы-электроны, подобно тому, как это делают планеты.

Электронная оболочка атомов и формулы атомов химических элементов

Электронная оболочка каждого из атомов содержит ровно столько электронов, сколько находится в его ядре протонов. Именно поэтому атом является нейтральным. В 1913 году еще один ученый получил основные сведения о строении атома. Формула Нильса Бора была похожа на ту, что получил Резерфорд. Согласно его концепции, электроны также вращаются вокруг ядра, расположенного в центре. Бор доработал теорию Резерфорда, внес стройность в ее факты.

Уже тогда были составлены формулы некоторых химических веществ. Например, схематически строение атома азота обозначается как 1s 2 2s 2 2p 3 , строение атома натрия выражается формулой 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1 . Через эти формулы можно увидеть, какое количество электронов движется по каждой из орбиталей того или иного химического вещества.

Модель Шредингера

Однако затем и эта атомная модель устарела. Основные сведения о строении атома, известные науке сегодня, во многом стали доступны благодаря исследованиям австрийского физика

Он предложил новую модель его строения - волновую. К этому времени ученые уже доказали, что электрон наделен не только природой частицы, но обладает свойствами волны.

Однако у модели Шредингера и Резерфорда имеются и общие положения. Их теории сходны в том, что электроны существуют на определенных уровнях.

Такие уровни также называются электронными слоями. При помощи номера уровня может быть охарактеризована энергия электрона. Чем выше слой, тем большей энергией он обладает. Все уровни считаются снизу вверх, таким образом, номер уровня соответствует его энергии. Каждый из слоев в электронной оболочке атома имеет свои подуровни. При этом у первого уровня может быть один подуровень, у второго - два, у третьего - три и так далее (см. приведенные выше электронные формулы азота и натрия).

Еще более мелкие частицы

На данный момент, конечно, открыты еще более мелкие частицы, нежели электрон, протон и нейтрон. Известно, что протон состоит из кварков. Существуют и еще более мелкие частицы мироздания - например, нейтрино, который по своим размерам в сто раз меньше кварка и в миллиард раз меньше протона.

Нейтрино - это настолько мелкая частица, что она в 10 септиллионов раз меньше, чем, к примеру, тираннозавр. Сам тираннозавр во столько же раз меньших размеров, чем вся обозримая Вселенная.

Основные сведения о строении атома: радиоактивность

Всегда было известно, что ни одна химическая реакция не может превратить один элемент в другой. Но в процессе радиоактивного излучения это происходит самопроизвольно.

Радиоактивностью называют способность ядер атомов превращаться в другие ядра - более устойчивые. Когда люди получили основные сведения о строении атомов, изотопы в определенной мере могли служить воплощением мечтаний средневековых алхимиков.

В процессе распада изотопов испускается радиоактивное излучение. Впервые такое явление было обнаружено Беккерелем. Главный вид радиоактивного излучения - это альфа-распад. При нем происходит выброс альфа-частицы. Также существует бета-распад, при котором из ядра атома выбрасывается, соответственно, бета-частица.

Природные и искусственные изотопы

В настоящее время известно порядка 40 природных изотопов. Их большая часть расположена в трех категориях: урана-радия, тория и актиния. Все эти изотопы можно встретить в природе - в горных породах, почве, воздухе. Но помимо них, известно также порядка тысячи искусственно выведенных изотопов, которые получают в ядерных реакторах. Многие их таких изотопов используются в медицине, особенно в диагностике .

Пропорции внутри атома

Если представить себе атом, размеры которого будут сопоставимы с размерами международного спортивного стадиона, тогда можно визуально получить следующие пропорции. Электроны атома на таком «стадионе» будут располагаться на самом верху трибун. Каждый из них будет иметь размеры меньше, чем булавочная головка. Тогда ядро будет расположено в центре этого поля, а его размер будет не больше, чем размер горошины.

Иногда люди задают вопрос, как в действительности выглядит атом. На самом деле он в буквальном смысле слова не выглядит никак - не по той причине, что в науке используются недостаточно хорошие микроскопы. Размеры атома находятся в тех областях, где понятие «видимости» просто не существует.

Атомы обладают очень малыми размерами. Но насколько малы в действительности эти размеры? Факт состоит в том, что самая маленькая, едва различимая человеческим глазом крупица соли содержит в себе порядка одного квинтиллиона атомов.

Если же представить себе атом такого размера, который мог бы уместиться в человеческую руку, то тогда рядом с ним находились бы вирусы 300-метровой длины. Бактерии имели бы длину 3 км, а толщина человеческого волоса стала бы равна 150 км. В лежачем положении он смог бы выходить за границы земной атмосферы. А если бы такие пропорции были действительны, то человеческий волос в длину смог бы достигать Луны. Вот такой он непростой и интересный атом, изучением которого ученые продолжают заниматься и по сей день.

Добавить сайт в закладки

Понятие атом. Строение атома и атомного ядра

Атом является наименьшей частицей элемента, сохраняющей его характеристики.

Атомы различных элементов отличаются друг от друга. Поскольку существует свыше 100 различных элементов, то существует и свыше 100 различных видов атомов.

Рис 1-2. Части атома.

Каждый атом имеет ядро, расположенное в центре атома. Оно содержит положительно заряженные частицы – протоны и незаряженные частицы – нейтроны.

Электроны, отрицательно заряженные частицы, вращаются вокруг ядер (см. Рис. 1-2).

Количество протонов в ядре атома называется атомным номером элемента.

Рис. 1-3. Электроны, расположенные на оболочках вокруг ядра.

Атомные номера позволяют отличить один элемент от другого. Каждый элемент имеет атомный вес. Атомный вес - это масса атома, которая определяется общим числом протонов и нейтронов в ядре. Электроны практически не дают вклада в общую массу атома, масса электрона составляет только 1/1845 часть массы протона и ею можно пренебречь.

Электроны вращаются по концентрическим орбитам вокруг ядра. Каждая орбита называется оболочкой. Эти оболочки заполняются в следующей последовательности: сначала заполняется оболочка К, затем L, М, N и т.д. (см. Рис. 1-3). Максимальное количество электронов, которое может разместиться на каждой оболочке, показано на Рис. 1-4.

Внешняя оболочка называется валентной, и количество электронов, содержащееся в ней, называется валентностью. Чем дальше от ядра валентная оболочка, тем меньшее притяжение со стороны ядра испытывает каждый валентный электрон. Таким образом, потенциальная возможность атома присоединять или терять электроны увеличивается, если валентная оболочка не заполнена и расположена достаточно далеко от ядра.

Рис. 1-4 и 1-5. Состав атома.

Электроны валентной оболочки могут получать энергию. Если эти электроны получат достаточно энергии от внешних сил, они могут покинуть атом и стать свободными электронами, произвольно перемещающимися от атома к атому. Материалы, содержащие большое количество свободных электронов, называются проводниками.

Рис. 1-6. Валентность меди.

На Рис. 1-5 сравниваются проводимости различных металлов, используемых в качестве проводников. В таблице серебро, медь и золото имеют валентность, равную единице (см. Рис. 1-6). Однако серебро является лучшим проводником, поскольку его валентные электроны слабее связаны.

Изоляторы, в противоположность проводникам, препятствуют протеканию электричества. Изоляторы стабильны благодаря тому, что валентные электроны одних атомов присоединяются к другим атомам, заполняя их валентные оболочки, препятствуя, таким образом, образованию свободных электронов.

Рис. 1-7. Диэлектрические свойства различных материалов, используемых в качестве изоляторов.

Материалы, классифицируемые как изоляторы, сравниваются на Рис. 1-7. Слюда является наилучшим изолятором, потому что она имеет наименьшее число свободных электронов на своих валентных оболочках.

Промежуточное положение между проводниками и изоляторами занимают полупроводники.Полупроводники не являются ни хорошими проводниками, ни хорошими изоляторами, но они важны, потому что их проводимость можно изменять от проводника до изолятора. Кремний и германий являются полупроводниковыми материалами.

Об атоме, который имеет одинаковое число электронов и протонов, говорят, что он электрически нейтрален. Атом, получающий один или более электронов, не является электрически нейтральным. Он становится отрицательно заряженным и называется отрицательным ионом. Если атом теряет один или более электронов, то он становится положительно заряженным и называется положительным ионом. Процесс присоединения или потери электронов называется ионизацией. Ионизация играет большую роль в протекании электрического тока.