Хімія. Повторне видання. 8 клас. Ярошенко

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

Опрацювавши матеріал параграфа, ви зможете:

• з’ясувати, які моделі будови атома відомі в науці;
• розповісти про внесок вітчизняних і зарубіжних учених у вивчення будови атома;
• схарактеризувати склад ядер;
• оперувати термінами «протонне число» й «нуклонне число»;
• розповісти про роль теоретичних та експериментальних досліджень у розвитку науки.

ПЕРШІ УЯВЛЕННЯ ПРО БУДОВУ АТОМА. Нагадаємо, що термін атом виник ще в античному світі й у перекладі з грецької означає «неподільний». Майже до кінця XIX ст. панувала думка про те, що атом не можна поділити на менші частинки. Однак після відкриття (1897 р.) в атомі негативно заряджених електронів та явища радіоактивності вчені зрозуміли, що це не так. Радіоактивністю називають самочинний розпад атомних ядер з випромінюванням радіоактивних частинок й утворенням нових ядер.

Зазначені відкриття спонукали вчених до створення моделей будови атома.

МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА ТОМСОНА. Першу модель будови атома (мал. 15) розробив Джозеф Томсон (1856-1940) — англійський фізик, який у 1897 р. відкрив електрони (е) у складі атома.

Мал. 15. Модель будови атома Томсона (червона куля заряджена позитивно)

За цією моделлю атом має форму кулі. Позитивно заряджені частинки рівномірно розподілені по всьому об’ємі кулі, в яку вкраплені негативно заряджені частинки — електрони. Атом у цілому електронейтральний. 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 з масою атома Гелію крізь тоненькі металеві пластинки, він виявив, що більшість частинок проникає крізь пластинку, не відхиляючись від прямолінійної траєкторії, деякі частинки відхиляються під певними невеликими кутами від заданого їм прямолінійного руху, а приблизно 1/10000 від загальної кількості частинок змінюють напрямок руху на майже протилежний (мал. 16).

Мал. 16. Відбивання 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 заряджена позитивно, а позитивний заряд 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. У 1911 р. Ернест Резерфорд запропонував нову модель будови атома, що дістала назву планетарної.

ПЛАНЕТАРНА МОДЕЛЬ БУДОВИ АТОМА РЕЗЕРФОРДА. Прообразом цієї моделі стала модель Сонячної системи. За планетарною 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 є електронейтральним (заряд атома дорівнює нулю) (мал. 17).

Мал. 17. Модель атома Резерфорда

Атом — найменша електронейтральна частинка речовини.

У 1919 р. Е. Резерфорд під час експериментальних досліджень здійснив розщеплення ядра й відкрив протони (р) — позитивно заряджені частинки, що містяться в ядрі й зумовлюють його позитивний заряд. Протон, як і електрон, має дуже малу масу, хоча в порівнянні з масою електрона маса протона в 1836 разів більша. А от заряди обох частинок є однаковими за величиною, але протилежними за знаком. Тож заряд протона умовно дорівнює +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. 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 частинки однакової маси — протони й нейтрони. Нейтрони, на відміну від протонів й електронів, не несуть електричних зарядів. Звідси походить їхня назва — «нейтрони» (нейтральні). Геніальне передбачення Д. Д. Іваненка було підтверджено дослідами англійського фізика Джеймса Чедвіка (1891-1974). У 1935 р. Д. Чедвіка було удостоєно за це 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 закладів вищої освіти СРСР, зокрема й в Україні. Світове визнання Дмитро Дмитрович отримав за те, що першим (у віці 27 років!) на основі теоретичних узагальнень запропонував протонно-нейтронну модель атомного ядра.

Народився вчений 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: Поль Дірак, Хідекі Юкава, Нільс Бор, Ілля Пригожин, Семюел Тінг, які після спілкування з ним залишили свої знамениті вислови на стінах кабінету Дмитра Дмитровича 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.

Вивчення будови атома в 30-х роках XX ст. ознаменувалось відкриттям нейтральної частинки нейтрона (n) у складі ядра атома. Нейтрони й 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 формують електронну оболонку атома. Протони прийнято позначати ¹₊₁p, нейтрони — ¹₀n, електрони — ⁰_-1e (мал. 18). Сумарний заряд протонів дорівнює сумарному заряду електронів.

Мал. 18. Сучасна модель і схема будови атома

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. Оскільки в науці масу протона й нейтрона прийнято за 1, то маса електрона дорівнює 1/1836. Інформацію про будову атома та його складники вміщено в таблиці 5.

Таблиця 5

Складники атома

Частинка та її розміщення в атомі	Відносна маса (а.о.м.)	Абсолютна маса, кг	Заряд (в одиницях елементарного заряду)
протон (1+1р), у ядрі	1	1,627 • 10-27	+1
нейтрон (10n), у ядрі	1	1,625 • 10-27	0
електрон (е), в електронній оболонці	1/1836	9,109 • 10-31	-1

Незважаючи на те, що розміри ядра набагато менші від розмірів електронної оболонки, основна маса атома зосереджена саме в ньому. В обчисленнях відносної атомної маси елемента масою електронів нехтують.

ПРОТОННЕ Й НЕЙТРОННЕ ЧИСЛА. Як виявилося, порядковий номер елемента в періодичній системі та протонне число (кількість 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.

Нейтронне число (кількість нейтронів у ядрі атома) обчислюють як різницю між відносною атомною масою і протонним числом (кількістю протонів у ядрі атома).

Ядра атомів одного й того самого хімічного елемента містять однакову кількість протонів (протонне число), що дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі. Оскільки атоми — нейтральні частинки, то й кількість електронів у них однакова з кількістю протонів, чого не можна сказати про кількість нейтронів (нейтронне число). Кількість нейтронів у ядрах атомів одного хімічного елемента може бути різною. Щоб відрізняти такі атоми один від одного, було введено поняття нуклід. З поняттям нуклід ви ознайомитесь, вивчаючи фізику в 9 класі.

Характеризуючи атоми, вказують протонне, нейтронне та нуклонне числа.

Протонне, або атомне, число (Ζ) — це кількість протонів у ядрі атома.

Нейтронне число (Ν) указує на кількість нейтронів у ядрі атома.

Нуклонне число (А) є сумою протонного й нейтронного чисел.

Ці три числа пов’язані між собою такою залежністю:

Α = Ζ + Ν.

Отже, завдяки описаним досягненням учених стало відомо про будову атома та його складові. 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 XX ст.

• Відкриття складної будови атома спонукало науковців до створення моделей його будови (модель Томсона (1904 р.), модель Резерфорда (1911 р.)).

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

• Ядро атома складається з позитивно заряджених частинок протонів (¹₊₁р) та частинок, що не мають заряду, — нейтронів (¹₀n).

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

• Ядро порівняно з атомом має дуже малі розміри, але в ньому зосереджена основна маса атома.

• Протонне число (Z) вказує на кількість протонів у ядрі атома, нейтронне число (N) — на кількість нейтронів, а нуклонне число (А) визначається за формулою А = Z + N.

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.

Одними з перших лауреатів Нобелівської премії були відкривач будови атома Ернест Резерфорд (1908 р.) і Марія Склодовська-Кюрі (1911 р ).

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 (Rа). 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. Порівняйте моделі атома Томсона та Резерфорда.

3. Схарактеризуйте складові частинки атома.

4. Де в атомах містяться:

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

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

6. Кому належать відкриття:

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

7. На що вказують:

• а) протонне число;
• б) нейтронне число;
• в) нуклонне число?

Застосовуємо

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

Працюємо з медійними джерелами

21. 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;
• г) хто й за які відкриття став лауреатом Нобелівської премії з хімії за останні 5 років.

22. 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.