Сучасні уявлення про будову атома

Будова атомного ядра.

Протон

Отже, ми вже знаємо, що, атом складається з ядра і оточуючих його електронів, утворюючих так звану електронну оболонк. Електрони несуть негативний електричний заряд. Ядро заряджене позитивно.

У будь-якому атомі позитивний заряд ядра точно дорівнює заряду електронів в електронній оболонці, тому атом в цілому ― нейтральна частинка, що не несе заряду.

У 1913 р Е. Резерфорд висунув гіпотезу, що однією з частинок, що входять до складу ядра атома будь-якого хімічного елемента має бути ядро атома Гідрогена, оскільки було відомо, що маси атомів хімічних елементів перевищують масу атома Гідрогена в ціле число разів. Уявлення про ядро як про неподільну частинку було зруйнувано після того, як Резерфорд, бомбардуючи ядра атома Нітрогена α-частинками, виявив, що з ядра атома Нітрогена вилітала частинка, яку Резерфорд назвав «протоном» (від давньогрецького πρότος ― «первинне»).

Практично вся маса атома зосереджена в його ядрі ― маса електрона складає всього лише 1/1836 маси протона! Резерфорд припустив, що протон ― це ядро атома Гідрогена. Пізніше це було доведено. Отже, протон:

Нагадаємо:

Умовне позначення електрона: ${^{\,\,\, 0}_{-1}e}$

• негативно заряджена елементарна частинка;

• володіє найменшим у природі зарядом: $e = 1,602·10^{-19}$Кл, (умовно прийнятий за «–1»);

• маса мізерно мала і становить $9,1·10^{–31}$кг;

• є стабільною частинкою;

• немає ніяких даних про його внутрішню структуру.

Нейтрон

У 1920 році Резерфорд висловив припущення, що повинна існувати частинка з масою, що дорівнює масі протона, але не має електричного заряду. Однак, виявити таку частинку Резерфорду не вдалося. Англійський фізик Джеймс Чедвік висунув гіпотезу про існування нейтральних частинок, близьких за розмірами і масою до протонів. Довести ж їх існування йому вдалося лише в 1932 році. Ці частинки Чедвік назвав «нейтронами» (від англійського слова, яке походить від латинської «neuter», що в перекладі означає «ні той, ні інший»).

Таким чином, нейтрон:

умовне позначення:$${^{1}_{0}p}$$

маса нейтрона ― $$1,675·10^{–27} $$кг;

заряд ― відсутній

не іонізує повітря

нейтрон досить стабільний: в середньому за 15 хвилин вільний нейтрон розпадається на протон, електрон і електронне антинейтрино ― частинку, яка не має ні заряду, ні маси.

При проходженні крізь речовину нейтрони не втрачають енергію на іонізацію атомів речовини, тому мають величезну проникаючу здатність. Нейтрони можуть бути використані як «снаряди» в реакціях перетворення одних ядер в інші. З відкриттям нейтрона, нарешті, стало ясно, що ядра складаються з протонів і нейтронів, а атом природно уявляти собі як ядро, оточене електронами.

Протони і нейтрони, як будівельний матеріал ядра, отримали загальну назву ― «нуклони» (від латинського nucleus ― «ядро»). А далі ― зовсім фантастика! ..

Густина речовини у ядрі неймовірна ― порядку $10^{13} – 10^{14}г/см^3$! Сірникова коробка, яка наповнена речовиною такої густини, важила б 2,5 мільярда тонн! Для порівняння: експерти незалежного Інституту золотого стандарту припустили, що весь золотий запас світу (аж до спустошення всіх банківських комірок і шкатулок із коштовностями), складе близько 2,5 мільйона тонн, тобто у тисячу разів менше!

Далі ― більше!

Зовнішні розміри атома ― це розміри набагато менші щільного електронного шару: якщо уявити і ядро, і атом в цілому ― сферою («кулькою»), то площа перерізу всього атома, приблизно в три мільярди ($3·10^9$) разів більша за площу перерізу ядра.

Знову ж таки, для наочності. Якщо ми подумки збільшимо розмір атома до розміру найбільшого в світі парку квітів в Об'єднаних Арабських Еміратах «Al Ain Paradise», площа якого близько 21000 $м^2$ (занесений до Книги рекордів Гіннеса у 2010 році), то ядро було б не більше шпилькової головки, розміщеній у центрі цього парку!

Електрони, протони і нейтрони є головними «будівельними деталями» атомів. Їхні заряди і маси в кг і в спеціальних «атомних» одиницях маси (а.о.м.) узагальнені в таблиці Властивості елементарних частинок, що утворюють атом

З таблиці видно, що маси елементарних частинок надзвичайно малі. Показник степені (наприклад, десять в мінус двадцять сьомій степені) показує, скільки нулів після коми потрібно записати, щоб вийшла десяткова дріб, яка виражає масу частинки в кілограмах. $1,672·10^{–27} кг = 0,0000000000000000000000000001672 кг$

Це вкрай мала частина кілограма, тому масу елементарних частинок зручніше виражати в атомних одиницях маси (скорочено ― а.о.м.). За атомну одиницю маси прийнята рівно 1/12 частина маси атома Карбона, в ядрі якого міститься 6 протонів і 6 нейтронів. Схематичне зображення такого «еталонного» атома Карбона наведено на малюнку. Атомну одиницю маси можна виразити і в грамах: $а.е.м. = 1,660540·10^{–24} г$, її також иноді називають «Дáльтоном» и позначають Da (Да);

$Da = 1,66054·10^{–27} кг$.