атом

Слово "атом" происходит от древнегреческого "ἄτομος" и примерно переводится как "неделимый". Древнегреческая теория чаще всего приписывается Демокриту (460-370 до н.э.) и его наставнику Левкиппу. Хотя их идеи об атомах были рудиментарными по сравнению с нынешней концепцией сегодня, они обрисовал важную идею, состоящую в том, что все состоит из атомов - невидимых и неделимых сфер материи бесконечного типа и числа.Древнегреческие философы предположили, что атомы отличаются своей формой в зависимости от типа. Например, атомы железа представлялись виде крючков, которые цеплялись друг за друга, что объясняло почему железо было твердым при комнатной температуре, а атомы воды были гладкими и скользкими, поэтому вода была жидкой при комнатной температуре. И хоть теперь мы знаем, что это не так, их идеи были заложены в основу будущих атомных моделей.

Первым основные сведения о строении атома получил английский ученый Джон Дальтон. 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.

Прорыв произошел в конце 1800-х годов, когда английский физик Джозеф Джон Томсон обнаружил, что атом не был столь же неделимым, как заявлялось ранее. Он проводил эксперименты с использованием катодных лучей (электронных пучков), произведенных в разрядной трубке, и обнаружил, что лучи притягиваются положительно заряженными металлическими пластинами, но отталкивается отрицательно заряженными. Из этого он сделал вывод, что лучи должны быть заряжены отрицательно.Изучая частицы в лучах, он смог сделать вывод о том, что они были в две тысячи раз легче, чем водород, а также путем изменения металла катода, он продемонстрировал, что эти частицы присутствовали во многих типах атомов. Таким образом он открыл электрон (хотя он называл его как «корпускул»), и показал, что атомы не являются неделимыми. За это открытие он получил Нобелевскую премию в 1906 году.В 1904 году он выдвинул свою модель атома на основе своих выводов, названную «пудинговой моделью атома». Данная модель представляла атом как положительно заряженную сферу, с электронами, усеянными в сфере, как сливы в пудинге. Модель Томсона была вскоре опровергнута его учеником.

Основные сведения о строении атомов были подтверждены еще одним английским химиком - Эрнестом Резерфордом. 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.

Бор был датским физик, который приступил к решению проблем, связанных с моделью Резерфорда. Так как, классическая физика не могла правильно объяснить, что происходит на атомном уровне, он обратился к квантовой теории для объяснения расположение электронов. Его модель постулировала существование энергетических уровней или электронных оболочек. Электроны могут находится только на этих энергетических уровнях; Другими словами, их энергия квантуется, и не может принять только какое-либо значение между квантованными уровнями. Электроны могут перемещаться между этими энергетическими уровнями (именуемыми Бором как «стационарные состояния»), но при условии поглощения или испускания энергии.Предложение Бором стабильных энергетических уровней в некоторой степени решала проблему падения электронов по спирали на ядро. Истинные причины сложнее и они скрыты в сложном мире квантовой механики; и, как Бор сам сказал: "Если квантовая механика вас не потрясла до глубины души, то вы просто еще этого поняли(или вы еще не достаточно хорошо понимаете квантовую механику - игра слов, прим. переводчика)".Модель Бора не решает всех проблем атомной модели. Она хорошо подходит для атомов водорода, но не может объяснить наблюдения за более тяжелыми элементами. Это также нарушает принцип неопределенности Гейзенберга, один из краеугольных камней квантовой механики, в которой говорится, что мы не можем знать точное местоположение и импульс электрона одновременно. Тем не менее, модель атома Бора наиболее широко распространена и известна, что связано с удобством объяснения химической связи и реакционной способности некоторых групп элементов на начальном этапе обучения.

В 1926 Шредингер предположил, что, электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне.Шредингер решил ряд математических уравнений для описания модели распределения электрона в атоме. Его модель демонстрирует ядро, окруженное облаками электронной плотности. Эти облака являются облаками вероятности; хотя мы не знаем точно где электроны в тот или иной момент времени, но мы знаем в каких заданных областях пространства они вероятно могут находится. Эти участки пространства называются электронными орбитами. Становится понятно, почему в средней школе уроки химии зачастую не приводят эту модель, хотя это модель считается наиболее точной!

В 1932 году английский физик Джеймс Чедвик (ученик Эрнеста Резерфорда) обнаружил существование нейтрона, завершая нашу картину субатомных частиц, составляющих атом. Однако, история не заканчивается на этом; физики обнаружили, что протоны и нейтроны, составляющие ядро, сами делится на частицы, называемые кварками - но это уже совсем другая история! Во всяком случае, модель атома дает нам отличный пример того, как научные модели могут меняться с течением времени, и показывает, как новые данные могут привести к появлению новых моделей.

Каждый атом содержит одно ядро ​​[в центре] и один или несколько электронов. Ядро обычно состоит из равного числа протонов и нейтронов, вместе называемых нуклонами.Ядро, расположенное в центре атома, составляет более 99,9 % его массы, но занимает лишь одну триллионную его общего объема. Таким образом, большая часть пространства внутри атома пуста.Электрон является наиболее активным компонентом атома, но он почти ничего не вносит в массу атома. Например, в атоме водорода масса электрона составляет всего 0,0005 массы ядра.Электроны несут отрицательный заряд, протоны несут положительный заряд, а нейтроны не имеют электрического заряда. Атом электрически нейтрален, если он имеет одинаковое количество электронов и протонов. Однако, если атом имеет меньше или больше протонов, чем электронов, он имеет общий положительный или отрицательный заряд (известный как Ион).Из 118 известных атомов 94 встречаются в природе, хотя некоторые встречаются в незначительных количествах. Остальные 24 были синтезированы только в лабораториях или ядерных реакторах.Поскольку атомы невероятно малы по сравнению с длиной волны видимого света, их нельзя наблюдать даже с самым мощным в мире оптическим микроскопом.